JPWO2019026251A1 - Titanium chunk, method for producing the same, and titanium slab - Google Patents

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Abstract

厚さが7〜80mm板状のチタン塊であって、化学組成が、質量%で、O:0.01〜0.5%、Fe:0.01〜5%、Al:0〜8%、Sn:0〜5%、Zr:0〜12%、Mo:0〜15%、Ta:0〜2%、V:0〜22%、Nb:0〜2%、Si:0〜1%、Cr:0〜10%、Cu:0〜0.1%、Co:0〜1%、Ni:0〜1%、白金族元素:0〜0.5%、REM:0〜0.2%、B:0〜3%、N:0〜0.2%、C:0〜2%、H:0〜0.013%残部がチタンおよび不純物であり、各元素の測定値の最大値CMAXと最小値CMINの差分ΔCが、0.2CMIN未満または0.04%未満であり、金属組織が、前記チタン塊の厚さ方向の中央部における円相当平均結晶粒径が10mm以下、かつ厚さの半分以下である、チタン塊。このチタン塊は、低コストで製造できる。It is a plate-shaped titanium lump having a thickness of 7 to 80 mm and a chemical composition in mass% of O: 0.01 to 0.5%, Fe: 0.01 to 5%, Al: 0 to 8%, Sn: 0 to 5%, Zr: 0 to 12%, Mo: 0 to 15%, Ta: 0 to 2%, V: 0 to 22%, Nb: 0 to 2%, Si: 0 to 1%, Cr : 0 to 10%, Cu: 0 to 0.1%, Co: 0 to 1%, Ni: 0 to 1%, platinum group element: 0 to 0.5%, REM: 0 to 0.2%, B : 0 to 3%, N: 0 to 0.2%, C: 0 to 2%, H: 0 to 0.013% The balance is titanium and impurities, the maximum value CMAX and the minimum value of the measured values of each element. The difference ΔC of CMIN is less than 0.2 CMIN or less than 0.04%, and the metal structure is such that the circle-equivalent average crystal grain size at the center in the thickness direction of the titanium lump is 10 mm or less and half or less of the thickness There, titanium mass. This titanium mass can be manufactured at low cost.

Description

本発明は、チタン塊およびその製造方法と、ならびに、チタンスラブに関する。   The present invention relates to a titanium ingot, a method for producing the same, and a titanium slab.

チタン材は、耐食性に優れた金属材料であることから、海水を用いる熱交換器や各種の化学プラントなどに用いられている。また、チタン材は、密度が炭素鋼に比べて小さく、比強度(単位重量あたりの強度)に優れることから、航空機の機体にも多く使用されている。また、自動車などの陸上輸送機器にチタン材を使用することにより、機器自体が軽量となるため、燃費向上が期待される。   Titanium materials are metal materials with excellent corrosion resistance, and are used in heat exchangers using seawater, various chemical plants, and the like. Titanium materials are often used in aircraft bodies because of their lower density than carbon steel and excellent specific strength (strength per unit weight). In addition, by using titanium materials for land transportation equipment such as automobiles, the equipment itself becomes lighter, and thus fuel efficiency is expected to be improved.

しかし、チタン材は、鋼材に比べて複雑で非常に多くの工程によって製造される。代表的な工程として以下のものがある。   However, a titanium material is more complicated than a steel material and is manufactured by a great number of processes. Typical processes include the following.

(a)製錬工程:原料である酸化チタンを塩素化して四塩化チタンとした後、マグネシウムあるいはナトリウムで還元することにより、塊状でスポンジ状の金属チタン(以下、「スポンジチタン」という)を製造する工程。   (A) Smelting process: Production of massive and sponge metal titanium (hereinafter referred to as “sponge titanium”) by chlorination of titanium oxide as raw material to titanium tetrachloride and reduction with magnesium or sodium Process.

(b)溶解工程:スポンジチタンをプレス成形して電極とし、真空アーク溶解炉で溶解して鋳塊を製造する工程。   (B) Melting step: A step in which sponge titanium is press-molded to form an electrode and melted in a vacuum arc melting furnace to produce an ingot.

(c)鍛造工程:鋳塊を熱間で鍛造してスラブ(熱間圧延素材)やビレット(熱間押出しや熱間圧延などの素材)などを製造する工程。   (C) Forging step: A step of producing a slab (hot rolled material), billet (hot extrusion, hot rolled material, etc.) by forging the ingot hot.

(d)熱間加工工程:スラブやビレットを加熱して熱間で圧延や押出し加工して板や丸棒などを製造する工程。   (D) Hot working step: A step of heating a slab or billet and hot rolling or extruding to produce a plate or a round bar.

(e)冷間加工工程:板や丸棒をさらに冷間で圧延加工して薄板や丸棒、線などを製造する工程。   (E) Cold working step: A step of producing a thin plate, round bar, wire, etc. by further cold rolling a plate or round bar.

チタン材は、このように多くの工程により製造されるため、非常に高価である。このため、チタン材は自動車などの陸上輸送機器へは殆ど適用されていない。チタン材の利用を促進するためには、その製造プロセスの生産性を向上する必要がある。この課題に対処する技術として、チタン材の製造工程を省略する取り組みがなされている。   Titanium materials are very expensive because they are manufactured in many processes. For this reason, titanium materials are hardly applied to land transportation equipment such as automobiles. In order to promote the use of titanium materials, it is necessary to improve the productivity of the manufacturing process. As a technique for dealing with this problem, an effort to omit the manufacturing process of the titanium material has been made.

VAR(真空アーク溶解)は、円柱形状のチタン鋳塊しか製造できないため、この後に熱間圧延を行って薄板にするためには、円柱状のチタン鋳塊を熱間で鍛造して、直方体形状のチタン、すなわちチタンスラブにしなければならない。   Since VAR (vacuum arc melting) can only produce cylindrical titanium ingots, in order to perform hot rolling after this to make a thin plate, the cylindrical titanium ingot is hot forged to form a rectangular parallelepiped. Titanium, that is, titanium slab.

一方、電子ビーム溶解やプラズマ溶解では、溶解したチタンを容器(コールドハース)に保持した後に種々の形状の鋳型に注入する。このため、直方体の鋳型を使用することにより、直接スラブ形状のチタン鋳塊が得られ、鍛造工程を省略できる(直接スラブ鋳造方法)。溶解したチタンは、鋳型と接するチタン鋳塊表層から凝固が始まり、やがて厚さ中心部が凝固してチタン鋳塊が得られる。同時に、チタン鋳塊は上方から下方に引き抜かれ、下方から上方に向かって徐々に凝固する。   On the other hand, in electron beam melting or plasma melting, melted titanium is held in a container (cold hearth) and then injected into molds of various shapes. For this reason, by using a rectangular parallelepiped mold, a direct slab-shaped titanium ingot can be obtained, and the forging process can be omitted (direct slab casting method). The melted titanium begins to solidify from the surface of the titanium ingot in contact with the mold, and eventually the thickness central portion is solidified to obtain a titanium ingot. At the same time, the titanium ingot is drawn downward from above and gradually solidifies from below to above.

特許文献1には、溶解工程を省略してチタン鋳塊を製造する発明が開示されている。このチタン鋳塊(スラブ)は、多孔質チタン(スポンジチタン)を鋳塊状に圧縮成形し、その表面を真空下で溶解することにより製造され、内部が多孔質チタンであるとともにその全表面を稠密なチタンにより被覆されている。特許文献1により開示された発明によれば、スポンジチタンやその圧縮成形体を用いてスラブ形状のチタン鋳塊を製造するため、薄肉のスラブを作製することができる。   Patent Document 1 discloses an invention for manufacturing a titanium ingot by omitting a melting step. This titanium ingot (slab) is manufactured by compressing and forming porous titanium (sponge titanium) into an ingot shape and melting the surface under vacuum. The inside is porous titanium and the entire surface is dense. It is covered with special titanium. According to the invention disclosed in Patent Document 1, since a slab-shaped titanium ingot is produced using sponge titanium or a compression molded body thereof, a thin slab can be produced.

特許文献2には、チタン合金粉に銅粉、クロム粉または鉄粉を添加して炭素鋼製のカプセルに封入し、加熱して熱間で押出ししてチタン合金丸棒を製造する発明が開示されている。特許文献3には、水素を含むチタン粉末やチタン合金粉末をカプセルに充填し、減圧しながら加熱することにより脱水素してから、熱間で押出してチタン丸棒やチタン合金丸棒を製造する発明が開示されている。特許文献4には、純チタン材で形成された梱包材に、スポンジチタン、チタンブリケットおよびチタンスクラップから選択される一種以上を充填したチタン材に関する発明が開示されている。   Patent Document 2 discloses an invention in which a titanium alloy round bar is manufactured by adding copper powder, chromium powder or iron powder to a titanium alloy powder, encapsulating it in a carbon steel capsule, heating and extruding it hot. Has been. In Patent Document 3, titanium powder or titanium alloy powder containing hydrogen is filled in capsules, dehydrogenated by heating while reducing pressure, and then extruded hot to produce titanium round bars or titanium alloy round bars. The invention is disclosed. Patent Document 4 discloses an invention relating to a titanium material in which a packing material formed of a pure titanium material is filled with one or more selected from sponge titanium, titanium briquette, and titanium scrap.

特開2015−45040号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-45040 特開2014−019945号公報JP 2014-019945 A 特開2012−041583号公報JP 2012-041583 A 国際公開第2016/056607号International Publication No. 2016/056607

直接スラブ鋳造方法は、鍛造工程を省略できる優れた方法であるが、得られるスラブ厚さは100mm以上であり、通常200mmから400mm程度である。スラブの厚さは鋳型の厚さで決まるため、鋳型の厚さを薄くすればスラブの厚さを薄くできる。   The direct slab casting method is an excellent method capable of omitting the forging process, but the obtained slab thickness is 100 mm or more, and is usually about 200 mm to 400 mm. Since the thickness of the slab is determined by the thickness of the mold, the thickness of the slab can be reduced by reducing the thickness of the mold.

しかし、鋳型の厚さが100mmより薄くなると、溶融チタンをコールドハースから鋳型に注入する際に、溶融チタンが鋳型の外に飛散したり、注入された部分から鋳型の幅方向に溶融チタンが均等に流れ込まないといった不具合が発生する。   However, when the thickness of the mold is less than 100 mm, when molten titanium is poured into the mold from cold hearth, the molten titanium scatters out of the mold, or the molten titanium is evenly distributed in the width direction of the mold from the injected portion. Trouble that does not flow into the.

また、100mm以上の厚さのスラブから厚さ数mm以下のチタン薄板を得るためには、大きな加工を施さなければならないために巨大な熱間加工設備が必要であり、あるいは、熱間で何回も繰り返して加工しなければならず、非効率である。   In addition, in order to obtain a titanium thin plate having a thickness of several millimeters or less from a slab having a thickness of 100 mm or more, a large hot processing facility is necessary because it must be subjected to a large processing. It must be processed repeatedly and is inefficient.

さらに、100mm以上の厚さのスラブは、その厚さゆえ内部の冷却速度が遅く、結晶粒が非常に大きく成長する。このため、製品に必要な引張特性等の機械特性を得るためには、大きな加工を施して粗大な結晶粒を破壊して細かくする必要がある。その厚さゆえ凝固偏析が大きくなり、スラブの表層と中心部の成分の差が大きい。また、チタン鋳塊の長さ(上下)方向では、最後に凝固するスラブ上方の厚さ中心部は、特に凝固偏析しやすく、正偏析しやすいFe、Cr、Co、Cu、Ni、V、Si等が濃化する。   Furthermore, a slab having a thickness of 100 mm or more has a slow internal cooling rate due to its thickness, and crystal grains grow very large. For this reason, in order to obtain mechanical properties such as tensile properties necessary for products, it is necessary to perform large processing to break coarse crystal grains and make them fine. Due to its thickness, solidification segregation increases, and the difference between the surface layer and the central component of the slab is large. Further, in the length (up and down) direction of the titanium ingot, the central portion of the thickness above the slab that solidifies last is particularly easily solidified and segregated, and easily segregates Fe, Cr, Co, Cu, Ni, V, and Si. Etc. thicken.

直接スラブ鋳造方法は、真空チャンバー内で溶解したチタンをコールドハースに保持するため、チタンや副原料(合金添加元素)の一部は揮発してチャンバーの壁面に多量に付着する。このため、鋳塊を得る際の歩留が悪くなる。また、チャンバー壁面に付着した揮発物の除去作業に時間を要するので、作業性が悪い。チタンより揮発しやすい元素(Al、Cu、Sn等)を含むチタン合金の場合、揮発しやすい元素のスラブでの含有量がチタン原料での含有量よりも少なくなる。このため、それぞれの元素の揮発量を予測して、それらに応じた量を多めにチタン原料に添加することが行われている。   In the direct slab casting method, since titanium dissolved in the vacuum chamber is held in the cold hearth, a part of titanium and the auxiliary material (alloy additive element) is volatilized and adheres to the wall surface of the chamber in a large amount. For this reason, the yield at the time of obtaining an ingot worsens. Moreover, since it takes time to remove the volatile matter adhering to the chamber wall surface, the workability is poor. In the case of a titanium alloy containing an element (Al, Cu, Sn, etc.) that is more volatile than titanium, the content of the volatile element in the slab is less than the content in the titanium raw material. For this reason, the amount of volatilization of each element is predicted, and a larger amount corresponding to them is added to the titanium raw material.

しかし、この揮発量は、溶解速度やスラブの引抜き速度、EB照射条件等の操業条件によって大きく変化する。例えば、溶解速度は、チタン原料の大きさや形状により変動し、溶解速度が低下すると、コールドハースを流れる溶融チタン量が減り、揮発量は増加する。スラブの引抜き速度は、コールドハース内の溶融チタンが少なくなる、鋳造初期および末期において、低下する。この間、鋳型内の溶融チタンにEB照射する時間が長くなり、揮発量が増加する。また、照射条件は、基本的には一定にできるが、操業のトラブルが発生した場合は、出力を下げるか停止する必要があるので、溶解速度が下がるか、溶解が止まる。出力を下げると、揮発量が減少する。これらの操業条件を予測して管理することは極めて難しく、このため、スラブの長手方向において、成分の変動は避けられなかった。   However, the volatilization amount varies greatly depending on the operating conditions such as the dissolution rate, the slab drawing speed, and the EB irradiation conditions. For example, the dissolution rate varies depending on the size and shape of the titanium raw material, and when the dissolution rate decreases, the amount of molten titanium flowing through cold hearth decreases and the volatilization amount increases. The slab drawing speed decreases at the beginning and end of casting when there is less molten titanium in the cold hearth. During this time, the time for EB irradiation to the molten titanium in the mold becomes longer, and the volatilization amount increases. Irradiation conditions can be basically constant. However, when an operation trouble occurs, it is necessary to reduce or stop the output, so that the dissolution rate decreases or the dissolution stops. When the output is lowered, the volatilization amount decreases. It is extremely difficult to predict and manage these operating conditions, and for this reason, fluctuations in the components are inevitable in the longitudinal direction of the slab.

特許文献1により開示されたチタン鋳塊の内部は粒状のスポンジチタンであるため、基本的にはスポンジチタンと同じ化学組成のチタン鋳塊しか得られない。スポンジチタンの化学組成と異なる化学組成のチタン鋳塊を得るには、必要な元素を添加しなければならない。例えば、強度を上げるためにチタンの酸素を増やしたい場合は酸化チタン粉末を、Ti−6Al−4V合金にしたい場合はAl−V合金粒やAl粒をスポンジチタンに添加して混合する。   Since the inside of the titanium ingot disclosed in Patent Document 1 is granular sponge titanium, basically, only a titanium ingot having the same chemical composition as that of sponge titanium can be obtained. In order to obtain a titanium ingot having a chemical composition different from the chemical composition of sponge titanium, necessary elements must be added. For example, in order to increase the oxygen of titanium in order to increase the strength, titanium oxide powder is added to Ti-6Al-4V alloy, and in the case of Ti-6Al-4V alloy, Al-V alloy particles or Al particles are added to sponge titanium and mixed.

しかし、その後に溶解工程がないために、スポンジチタンと添加元素粉末や粒は、容易に均質にはならない。熱間加工後に溶体化熱処理を行って各元素の拡散により均質化を図るためには、膨大な時間の溶体化処理を行う必要があり、実用的ではない。このため、特許文献1により開示された発明では、スポンジチタンと同等の化学組成を有するチタン鋳塊しか製造できず、チタン合金鋳塊を製造することはできない。   However, since there is no subsequent dissolution step, the sponge titanium and the additive element powder and particles are not easily homogenized. In order to perform a solution heat treatment after the hot working to achieve homogenization by diffusion of each element, it is necessary to perform a solution treatment for an enormous amount of time, which is not practical. For this reason, in the invention disclosed by patent document 1, only the titanium ingot which has a chemical composition equivalent to sponge titanium can be manufactured, and a titanium alloy ingot cannot be manufactured.

さらに、鋳造ままの表面を熱間圧延すると、得られたチタン薄板の表面にはヘゲ状の表面欠陥が発生し易い。特許文献1に開示のチタン鋳塊は、その表面のみを溶解、凝固させたものであるため、その表面が粗い鋳造組織(粗大な結晶粒)になっている。次工程の熱間圧延時に、鋳塊の表層の粗大な鋳造組織(粗大な結晶粒)は、結晶方位の差異による強い塑性異方性により、鋳塊の表面に起伏を生じてヘゲ状の表面欠陥となるためである。   Furthermore, when the as-cast surface is hot-rolled, the surface of the obtained titanium thin plate is liable to have a bald surface defect. Since the titanium ingot disclosed in Patent Document 1 is obtained by melting and solidifying only the surface thereof, the surface has a rough cast structure (coarse crystal grains). During the next hot rolling, the rough cast structure (coarse crystal grains) on the surface of the ingot is undulated on the surface of the ingot due to strong plastic anisotropy due to the difference in crystal orientation. This is because of surface defects.

特許文献2,3に開示の発明によれば、原料に粉末を使用して種々の元素も粉末として添加して、種々のチタンやチタン合金の丸棒を製造できる。これは、スポンジチタンよりも細かい粉末を使用するため、熱間加工後の溶体化処理が比較的短時間であっても均質な丸棒を得られる。しかし、チタン粉末やチタン合金粉末、合金添加用粉末等の原料粉末を製造するために、手間とコストを要する。   According to the inventions disclosed in Patent Documents 2 and 3, various titanium and titanium alloy round bars can be manufactured by using powder as a raw material and adding various elements as powder. This is because a powder finer than sponge titanium is used, so that a homogeneous round bar can be obtained even if the solution treatment after hot working is relatively short. However, labor and cost are required to produce raw material powders such as titanium powder, titanium alloy powder, and alloy addition powder.

特許文献4に開示の発明によれば、溶解工程および鍛造工程を省略することができるので、安価にチタン材を得ることができる。しかし、スポンジチタンなどをそのまま使用するため、特許文献1の発明と同様、スポンジチタンと同等の化学組成を有するチタン鋳塊しか製造できず、チタン合金鋳塊を製造することはできないという問題が発生する。   According to the invention disclosed in Patent Document 4, since the melting step and the forging step can be omitted, a titanium material can be obtained at a low cost. However, since titanium sponge and the like are used as they are, as in the invention of Patent Document 1, only a titanium ingot having a chemical composition equivalent to that of sponge titanium can be produced, and a titanium alloy ingot cannot be produced. To do.

本発明は、このような実情に鑑み、チタン薄板やチタン線材の素材となる熱間加工用または冷間加工用のチタン塊、特に薄肉厚または小径の種々の化学組成を有するチタン塊を低コストで製造することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention is a low-cost titanium ingot for hot working or cold working, particularly a titanium ingot having various chemical compositions with a thin wall thickness or a small diameter, which is a raw material for a titanium thin plate or a titanium wire. The purpose is to manufacture with.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、鍛造工程を省略でき、さらに熱間加工工程を簡略化できるチタン塊を製造できることに想到した。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have conceived that a titanium ingot that can omit the forging process and can further simplify the hot working process can be produced.

図1は、チタンブリケット1を模式的に示す説明図である。   FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a titanium briquette 1.

使用する原料は、通常の工程で製造されている比較的安価に入手できるスポンジチタン1aである。粒状のスポンジチタン1aのままで電子ビーム溶解を行っても形状が整わないため、図1に示すように、スポンジチタン1aは圧縮成形して直方体形状のチタンブリケット1にする。   The raw material to be used is sponge titanium 1a, which is manufactured in a normal process and can be obtained at a relatively low cost. Even if electron beam melting is performed while the granular sponge titanium 1a is used, the shape of the titanium sponge 1a is compression-molded into a rectangular parallelepiped titanium briquette 1 as shown in FIG.

この時、必要な化学組成のチタン塊を得るために必要な元素(酸素,Fe,Al,V等)を含む副原料1cをスポンジチタン1aに添加して混合した後に、圧縮成形して、チタンブリケット1を得る。   At this time, an auxiliary material 1c containing an element (oxygen, Fe, Al, V, etc.) necessary for obtaining a titanium lump having a required chemical composition is added to and mixed with sponge titanium 1a, and then compression-molded. Obtain briquette 1.

チタンブリケット1は、内部に空隙1dが存在するため、減圧下で空隙1dに存在する空気を除去した後、電子ビームにより、チタンブリケット1の厚さ方向の一部(例えばおよそ半分)2aを溶解する。   Since the titanium briquette 1 has a gap 1d inside, after removing the air present in the gap 1d under reduced pressure, a part (for example, approximately half) 2a in the thickness direction of the titanium briquette 1 is melted by an electron beam. To do.

図2は、チタン塊2を模式的に示す説明図である。   FIG. 2 is an explanatory view schematically showing the titanium block 2.

その後、チタンブリケット1を反転させて、まだ溶解していない厚さ方向の残りの一部(例えばおよそ半分)2bを同様に電子ビームにより溶解する。本発明者らは、空隙1dの真空引き及びチタンブリケット1の溶解によって、添加した副原料1cがスポンジチタン1aとともに溶解して均質になり、図2に示すように、薄肉厚のチタン塊2を得られることを知見した。   Thereafter, the titanium briquette 1 is inverted, and the remaining part (for example, approximately half) 2b in the thickness direction that has not yet been melted is similarly melted by the electron beam. As a result of evacuation of the gap 1d and dissolution of the titanium briquette, the inventors dissolved the added auxiliary raw material 1c together with the sponge titanium 1a and became homogeneous. As shown in FIG. It was found that it was obtained.

この時、チタン塊2の内部に気泡が残存しないようにするには、スポンジチタン1a粒間の空隙1dに存在する空気を十分に除去しなければならず、本発明者らは、そのためには、電子ビーム溶解前のチタンブリケット1を極力減圧した雰囲気におくことが重要であることも知見した。   At this time, in order to prevent bubbles from remaining inside the titanium lump 2, the air present in the gaps 1d between the titanium sponge 1a grains must be sufficiently removed. It has also been found that it is important to place the titanium briquette 1 before melting the electron beam in an atmosphere where the pressure is reduced as much as possible.

電子ビームによりチタンブリケット1の一部を溶解して凝固させるため、また、チタン塊2の厚さが薄いため、従来の溶解工程のように原料をすべて溶解後に鋳型に注入して凝固および冷却する厚さの大きいチタン材に比較して、凝固後の冷却速度が速く、チタン塊2の内部の結晶粒が粗大化しないことも本発明者らは知見した。   In order to melt and solidify a part of the titanium briquette 1 with an electron beam, and since the thickness of the titanium lump 2 is thin, all the raw materials are injected into the mold after melting and solidified and cooled as in the conventional melting process. The inventors have also found that the cooling rate after solidification is faster than that of a titanium material having a large thickness, and the crystal grains inside the titanium block 2 do not become coarse.

また、スポンジチタン1aを円柱状、角柱状や多角柱状の棒形状に圧縮成形してチタンブリケット1にして、同様に、電子ビーム溶解することにより、円柱状、角柱状や多角柱状の棒形状の小径のチタン塊2を得られることも知見した。   Further, the titanium sponge 1a is compression-molded into a cylindrical, prismatic or polygonal rod shape to form a titanium briquette 1, and similarly, by melting with an electron beam, a cylindrical, prismatic or polygonal columnar rod shape is obtained. It has also been found that a small-diameter titanium block 2 can be obtained.

図4は、チタンスラブ3を模式的に示す説明図である。   FIG. 4 is an explanatory view schematically showing the titanium slab 3.

さらに、熱間加工時の表面欠陥を抑制するためには、上記で得られたチタン塊2を、同種の化学組成を有するチタン板材4aにより作製した容器(梱包材)4に充填し、梱包材4のつなぎ目を全て溶接して溶接部5を形成して、図4に示すチタンスラブ3を得た。このチタンスラブ3は、熱間加工用チタン素材として用いることができることも本発明者らは知見した。   Furthermore, in order to suppress surface defects during hot working, the titanium block 2 obtained above is filled in a container (packing material) 4 made of a titanium plate 4a having the same chemical composition, and the packing material All the joints of 4 were welded to form a welded portion 5 to obtain a titanium slab 3 shown in FIG. The inventors have also found that this titanium slab 3 can be used as a titanium material for hot working.

本発明は、これらの新規な知見に基づくものであり、以下に列記の通りである。   The present invention is based on these novel findings and is listed below.

(1)厚さが7〜80mm板状のチタン塊であって、
化学組成が、質量%で、
O:0.01〜0.5%、
Fe:0.01〜5%、
Al:0〜8%、
Sn:0〜5%、
Zr:0〜12%、
Mo:0〜15%、
Ta:0〜2%、
V:0〜22%、
Nb:0〜2%、
Si:0〜1%、
Cr:0〜10%、
Cu:0〜0.1%、
Co:0〜1%、
Ni:0〜1%、
白金族元素:0〜0.5%、
REM:0〜0.2%、
B:0〜3%、
N:0〜0.2%、
C:0〜2%、
H:0〜0.013%
残部がチタンおよび不純物であり、
各元素の測定値の最大値CMAXと最小値CMINの差分ΔCが、0.2CMIN未満または0.04%未満であり、
金属組織が、
前記チタン塊の厚さ方向の中央部における円相当平均結晶粒径が10mm以下、かつ前記チタン塊の厚さの半分以下である、
チタン塊。
(1) A plate-like titanium block having a thickness of 7 to 80 mm,
Chemical composition is mass%,
O: 0.01 to 0.5%
Fe: 0.01 to 5%,
Al: 0 to 8%,
Sn: 0 to 5%
Zr: 0 to 12%,
Mo: 0 to 15%,
Ta: 0 to 2%
V: 0 to 22%
Nb: 0 to 2%,
Si: 0 to 1%,
Cr: 0 to 10%
Cu: 0 to 0.1%,
Co: 0 to 1%,
Ni: 0 to 1%,
Platinum group elements: 0 to 0.5%,
REM: 0-0.2%
B: 0 to 3%
N: 0 to 0.2%,
C: 0 to 2%
H: 0 to 0.013%
The balance is titanium and impurities,
The difference ΔC between the maximum value C MAX and the minimum value C MIN of the measured values of each element is less than 0.2C MIN or less than 0.04%,
The metal structure is
The circle-equivalent average crystal grain size in the central portion of the titanium lump in the thickness direction is 10 mm or less and half or less of the thickness of the titanium lump.
Titanium lump.

(2)長手方向に垂直な断面が直径10〜80mmの円形である円柱形状、又は、円相当直径が10〜80mmの五角形以上の多角形である柱形状を有するチタン塊であって、
化学組成が、質量%で、
O:0.01〜0.5%
Fe:0.01〜5%、
Al:0〜8%、
Sn:0〜5%、
Zr:0〜12%、
Mo:0〜15%、
Ta:0〜2%、
V:0〜22%、
Nb:0〜2%、
Si:0〜1%、
Cr:0〜10%、
Cu:0〜0.1%、
Co:0〜1%、
Ni:0〜1%、
白金族元素:0〜0.5%、
REM:0〜0.2%、
B:0〜3%、
N:0〜0.2%、
C:0〜2%、
H:0〜0.013%、
残部がチタンおよび不純物であり、
各元素の測定値の最大値CMAXと最小値CMINの差分ΔCが、0.2CMIN未満または0.04%未満であり、
金属組織が、
前記チタン塊の長手方向に垂直な断面において、表面から中心に向かう方向に延びる柱状組織を有し、前記断面の中心位置の円相当平均結晶粒径が10mm以下、かつ前記断面の直径の半分以下である、
チタン塊。
(2) A titanium lump having a columnar shape in which the cross section perpendicular to the longitudinal direction is a circle having a diameter of 10 to 80 mm, or a columnar shape that is a pentagon or more polygon having a circle equivalent diameter of 10 to 80 mm,
Chemical composition is mass%,
O: 0.01 to 0.5%
Fe: 0.01 to 5%,
Al: 0 to 8%,
Sn: 0 to 5%
Zr: 0 to 12%,
Mo: 0 to 15%,
Ta: 0 to 2%
V: 0 to 22%
Nb: 0 to 2%,
Si: 0 to 1%,
Cr: 0 to 10%
Cu: 0 to 0.1%,
Co: 0 to 1%,
Ni: 0 to 1%,
Platinum group elements: 0 to 0.5%,
REM: 0-0.2%
B: 0 to 3%
N: 0 to 0.2%,
C: 0 to 2%
H: 0 to 0.013%,
The balance is titanium and impurities,
The difference ΔC between the maximum value C MAX and the minimum value C MIN of the measured values of each element is less than 0.2C MIN or less than 0.04%,
The metal structure is
In a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the titanium block, it has a columnar structure extending in the direction from the surface toward the center, the circle-equivalent average crystal grain size at the center position of the cross section is 10 mm or less, and half or less of the diameter of the cross section Is,
Titanium lump.

(3)上記(1)または(2)のチタン塊と同種の化学組成を有する梱包材と、
前記梱包材の内部に充填された、上記(1)または(2)のチタン塊とを備え、
前記梱包材の内圧が10Pa以下である、
チタンスラブ。
(3) a packing material having the same chemical composition as the titanium block of (1) or (2) above,
The above-mentioned (1) or (2) titanium ingot filled in the packing material,
The packing material has an internal pressure of 10 Pa or less,
Titanium slab.

(4)スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上と、化学組成を調整するために必要な元素を含む副原料とを圧縮成形してチタンブリケットを得る圧縮成形工程、
1Pa以下の減圧下で前記チタンブリケットの表面に電子ビームを照射して前記チタンブリケットの全てを溶解してチタン塊とする溶解工程を備える、
上記(1)または(2)のチタン塊の製造方法。
(4) a compression molding step of obtaining a titanium briquette by compression molding one or more selected from sponge titanium and titanium scrap and an auxiliary material containing an element necessary for adjusting the chemical composition;
A step of irradiating the surface of the titanium briquette with an electron beam under a reduced pressure of 1 Pa or less to dissolve all of the titanium briquette into a titanium lump,
The manufacturing method of the titanium lump of said (1) or (2).

(5)前記溶解工程が、前記チタンブリケットの任意の表面に電子ビームを照射し、その表面から厚さ方向の一部を溶解する工程、および、任意の他の表面に電子ビームを照射し、少なくとも未溶解のチタンブリケットを溶解する工程を備える、
上記(4)のチタン塊の製造方法。
(5) The melting step irradiates an arbitrary surface of the titanium briquette with an electron beam, melts a part of the thickness direction from the surface, and irradiates an electron beam with any other surface, Dissolving at least undissolved titanium briquettes,
The manufacturing method of the titanium lump of said (4).

本発明によれば、熱間加工または冷間加工によってチタン薄板またはチタン線材を製造するのに用いることができる素材であって、種々の化学組成を有するチタン塊を低コストで製造できる。
本発明に係るチタン塊は、厚さの薄いまたは小径のスラブ(四角柱(例えば板状)、円柱、多角柱)であり、チタン薄板や棒を製造する際の加工率が少なくて済むため、チタン薄板や棒を効率よくかつ安価に製造できる。
本発明のチタン塊は、薄肉厚の板状または小径の柱状のチタン塊であるので、肉厚中心部(板状のチタン塊)または長手方向に垂直な断面における中心部(柱状のチタン塊)の結晶粒が小さく、凝固偏析が小さい。
本発明に係るチタン塊をチタン板材からなる梱包材に充填させたチタンスラブは、熱間加工時の表面欠陥の発生を抑制できる。
本発明に係る製造方法によれば、電子ビームの照射条件を一定に調整するだけで、安定して狙いの成分のチタン鋳塊を得ることができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is a raw material which can be used for manufacturing a titanium thin plate or a titanium wire by hot processing or cold processing, Comprising: The titanium lump which has various chemical compositions can be manufactured at low cost.
The titanium ingot according to the present invention is a thin or small-diameter slab (square column (for example, plate-like), cylinder, polygonal column), and the processing rate when manufacturing titanium thin plates and rods can be reduced. Titanium thin plates and rods can be manufactured efficiently and inexpensively.
Since the titanium lump of the present invention is a thin-walled plate-like or small-diameter columnar titanium lump, the thickness center part (plate-like titanium lump) or the center part in the cross section perpendicular to the longitudinal direction (columnar titanium lump) The crystal grains are small and solidification segregation is small.
A titanium slab in which a packing material made of a titanium plate is filled with the titanium block according to the present invention can suppress the occurrence of surface defects during hot working.
According to the production method of the present invention, it is possible to stably obtain a titanium ingot having a target component by simply adjusting the electron beam irradiation condition to be constant.

図1は、チタンブリケットの一例を模式的に示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view schematically showing an example of a titanium briquette. 図2は、チタン塊の一例を模式的に示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory view schematically showing an example of a titanium block. 図3は、チタン塊の他の例を模式的に示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory view schematically showing another example of a titanium block. 図4は、チタンスラブの一例を模式的に示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view schematically showing an example of a titanium slab. 図5は、チタンスラブの他の例を模式的に示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory view schematically showing another example of a titanium slab. 図6は、分析用試料を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a sample for analysis.

添付図面を参照しながら、本発明に用いる原料、チタンブリケット、チタン塊、チタンスラブを順次説明する。なお、以降の説明では、化学組成に関する「%」は特に断りがない限り「質量%」を意味する。   The raw material, titanium briquette, titanium lump, and titanium slab used in the present invention will be described in order with reference to the attached drawings. In the following description, “%” regarding chemical composition means “% by mass” unless otherwise specified.

図1は、チタンブリケット1を模式的に示す説明図であり、図2は、チタン塊2を模式的に示す説明図であり、図4および図5は、チタンスラブ3、30を模式的に示す説明図である。   FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a titanium briquette 1, FIG. 2 is an explanatory view schematically showing a titanium lump 2, and FIGS. 4 and 5 are schematic views of titanium slabs 3 and 30. It is explanatory drawing shown.

図1に示すように、チタンブリケット1は、スポンジチタン1aおよびチタンスクラップ1bの一種以上と、最終製品としての機能達成のために必要な元素(例えば、酸素,Fe,Al,V等)を含む副原料1cを混合し、例えば、直方体形状に圧縮成形して得られる。   As shown in FIG. 1, the titanium briquette 1 includes one or more of sponge titanium 1a and titanium scrap 1b and elements necessary for achieving the function as the final product (for example, oxygen, Fe, Al, V, etc.). The auxiliary raw material 1c is mixed and obtained, for example, by compression molding into a rectangular parallelepiped shape.

1.チタンブリケット1の原料
まず、チタンブリケット1の原料について説明する。チタンブリケット1の原料は、スポンジチタン1aおよびチタンスクラップ1bの少なくとも一方を含み、選択的に各種の元素を含有する副原料1cを含む。
1. The raw material of the titanium briquette 1 First, the raw material of the titanium briquette 1 is demonstrated. The raw material of the titanium briquette 1 includes at least one of sponge titanium 1a and titanium scrap 1b, and includes auxiliary raw materials 1c that selectively contain various elements.

(1−1)スポンジチタンの大きさ
チタンブリケット1の原料としてスポンジチタン1aを用いる場合には、従来のクロール法などの製錬工程で製造されたものを用いることができる。この製錬工程で得られたスポンジチタン1aは、通常数トンもある大きな塊であるため、従来工程と同様に破砕して粒にしたものを用いることが望ましい。
(1-1) Size of Sponge Titanium When titanium sponge 1a is used as a raw material for titanium briquette 1, one produced by a refining process such as a conventional crawl method can be used. Since the sponge titanium 1a obtained in this smelting process is a large lump usually having several tons, it is desirable to use a crushed and granulated product as in the conventional process.

スポンジチタン1aの大きさは、平均粒径で1mm以上25mm以下(ただし、板状のチタン塊に用いる場合にはチタン塊の厚さ以下、多角柱状または円柱状のチタン塊に用いる場合にはチタン塊の直径以下)であることが望ましい。平均粒径が1mm未満であると、破砕するのに時間を要し、微細な粉塵の発生も多く飛散するため、製造効率が低下する。一方、平均粒径が25mmより大きいと、後工程の電子ビームを照射してチタンブリケット1を溶解できる範囲に限りがあるため、副原料1cと均一に溶解できない可能性がある。   The average size of the sponge titanium 1a is 1 mm or more and 25 mm or less (however, when used for a plate-like titanium lump, less than the thickness of the titanium lump, when used for a polygonal columnar or cylindrical titanium lump, titanium Desirably less than the diameter of the lump). If the average particle size is less than 1 mm, it takes time to crush, and a lot of fine dust is scattered, resulting in a reduction in production efficiency. On the other hand, if the average particle size is larger than 25 mm, there is a limit to the range in which the titanium briquette 1 can be dissolved by irradiating an electron beam in a subsequent process, and thus there is a possibility that the auxiliary raw material 1c cannot be dissolved uniformly.

(1−2)スポンジチタンの化学組成
スポンジチタン1aは、チタン塊2の原料であり、チタンの他に、酸素、鉄、窒素、炭素、水素、塩素、マグネシウム等が含まれている。具体的には、酸素0.40%以下、鉄0.50%以下、窒素0.05%以下、炭素0.08%以下、水素0.013%以下、塩素0.10%以下、マグネシウム0.10%以下が例示される。
(1-2) Chemical composition of sponge titanium The sponge titanium 1a is a raw material of the titanium lump 2, and contains oxygen, iron, nitrogen, carbon, hydrogen, chlorine, magnesium and the like in addition to titanium. Specifically, oxygen 0.40% or less, iron 0.50% or less, nitrogen 0.05% or less, carbon 0.08% or less, hydrogen 0.013% or less, chlorine 0.10% or less, magnesium 0. 10% or less is exemplified.

これらの量は、チタン塊2に求められる量と同等かそれ以下であることが望ましい。スポンジチタン1aに含まれるチタン以外の元素の量が、チタン塊2に求められる量と同等であれば、そのままスポンジチタン1aを使用することができる。スポンジチタン1aに含まれるチタン以外の元素の量がチタン塊2に求められるチタン以外の元素の量よりも少ない場合には、その化学組成の必要な量の副原料1cを添加することにより補えばよい。   These amounts are preferably equal to or less than those required for the titanium block 2. If the amount of elements other than titanium contained in the sponge titanium 1a is equivalent to the amount required for the titanium lump 2, the sponge titanium 1a can be used as it is. If the amount of elements other than titanium contained in the sponge titanium 1a is smaller than the amount of elements other than titanium required for the titanium mass 2, it can be compensated by adding the auxiliary raw material 1c in an amount necessary for its chemical composition. Good.

スポンジチタン1aに含まれるチタン以外の元素の量がチタン塊2に求められるチタン以外の元素の量よりも多く、そのスポンジチタン1aの量がチタン塊2に求められる量よりも少なければ、チタン以外の元素の量が少ない他のスポンジチタンと適切に混合してチタン以外の元素を希釈する。これにより、目標とするチタン塊2を得ることができる。しかし、そのスポンジチタン1aのチタン以外の元素の量が多過ぎる場合には、希釈することができないために使用できない。   If the amount of elements other than titanium contained in the sponge titanium 1a is larger than the amount of elements other than titanium required for the titanium lump 2, and the amount of sponge titanium 1a is less than the amount required for the titanium lump 2, other than titanium The elements other than titanium are diluted by appropriately mixing with other sponge titanium having a small amount of element. Thereby, the target titanium lump 2 can be obtained. However, when the amount of elements other than titanium in the sponge titanium 1a is too large, it cannot be used because it cannot be diluted.

次に、原料として用いることができるチタンスクラップ1bについて説明する。   Next, the titanium scrap 1b that can be used as a raw material will be described.

チタンスクラップ1bとは、チタン材の製造工程で発生する製品にならない端材や、チタン素材を製品形状とするために切削,研削した際に発生するチタン切粉、製品として使用した後の不要になったチタン材等である。   Titanium scrap 1b is a scrap that does not become a product generated in the manufacturing process of titanium material, titanium chips generated when cutting or grinding to make the titanium material into a product shape, unnecessary after use as a product Such as titanium material.

(1−3)チタンスクラップの大きさ
チタンスクラップ1bの大きさは、スポンジチタン1aと同様に、平均粒径で1mm以上25mm以下(ただし、板状のチタン塊に用いる場合にはチタン塊の厚さ以下、多角柱状または円柱状のチタン塊に用いる場合にはチタン塊の直径以下)であることが望ましい。平均粒径が1mm未満であると、破砕するのに時間を要し、微細な粉塵の発生も多く飛散するため、製造効率が低下する。一方、平均粒径が25mmより大きいと、後工程の電子ビームを照射してチタンブリケット1を溶解できる範囲に限りがあるため、添加した副原料1cと均一溶解できない可能性がある。
(1-3) Size of Titanium Scrap The size of titanium scrap 1b is 1 mm or more and 25 mm or less in average particle diameter as in the case of sponge titanium 1a (however, when used for a plate-like titanium lump, the thickness of titanium lump) Or less, when used for a polygonal columnar or cylindrical titanium lump, it is desirable that the diameter be equal to or less than the diameter of the titanium lump. If the average particle size is less than 1 mm, it takes time to crush, and a lot of fine dust is scattered, resulting in a reduction in production efficiency. On the other hand, if the average particle size is larger than 25 mm, there is a limit to the range in which the titanium briquette 1 can be dissolved by irradiating the electron beam in the subsequent process, and thus there is a possibility that the added auxiliary material 1c cannot be uniformly dissolved.

チタンスクラップ1bは、そのままの状態で金型に充填してもよいが、かさ比重の小さいチタン切粉等は、より効率的に、またはより多く充填するために、予め圧縮してかさ比重を大きくしたり、スポンジチタン1aと混合した後で充填してもよい。   The titanium scrap 1b may be filled in the mold as it is, but titanium chips having a small bulk specific gravity are compressed in advance to increase the bulk specific gravity in order to fill more efficiently or more. Or after mixing with sponge titanium 1a.

(1−4)チタンスクラップの化学組成
チタンスクラップ1bは、スポンジチタン1aと混合する場合、当該スポンジチタン1aと同種のJIS1種、JIS2種、JIS3種またはJIS4種(JIS H 4600(2012年)チタン及びチタン合金−板及び条)に相当する化学組成とすることが好ましい。チタンスクラップ1bは、チタン塊2の目標とする化学組成と同種であってもよい。ここで、同種の化学組成であるとは、具体的には、JISの同じ規格に属することを意味する。例えば、スポンジチタン1aの化学組成がJIS1種に属する場合には、混合するチタンスクラップ1bもJIS1種に属する化学組成としてもよい。あるいは、JIS2種に属する化学組成のチタン塊2を得たい場合には、スポンジチタン1aがJIS1種に属する化学組成であっても、チタンスクラップ1bをJIS2種に属する化学組成にしてもよいし、これ以外の化学組成とし、不足する酸素や鉄は副原料1cを添加することにより調整してもよい。
(1-4) Chemical composition of titanium scrap When titanium scrap 1b is mixed with sponge titanium 1a, JIS type 1, JIS type 2, JIS type 3 or JIS type 4 (JIS H 4600 (2012) titanium of the same type as the titanium sponge 1a. And a titanium alloy-plate and strip). The titanium scrap 1b may be of the same type as the target chemical composition of the titanium lump 2. Here, having the same chemical composition means specifically belonging to the same JIS standard. For example, when the chemical composition of the sponge titanium 1a belongs to JIS class 1, the titanium scrap 1b to be mixed may also have a chemical composition belonging to JIS class 1. Alternatively, when it is desired to obtain a titanium block 2 having a chemical composition belonging to JIS class 2, even if the sponge titanium 1a has a chemical composition belonging to JIS class 1, the titanium scrap 1b may have a chemical composition belonging to JIS class 2. Other chemical compositions may be used, and the insufficient oxygen and iron may be adjusted by adding the auxiliary material 1c.

次に、原料として用いることができる副原料1cを説明する。   Next, the auxiliary raw material 1c that can be used as the raw material will be described.

副原料1cは、目標とする化学組成のチタン塊2を得るために、スポンジチタン1aおよびチタンスクラップ1bの1種以上に添加する。例えば、酸素を添加する場合は酸化チタンを、鉄を添加する場合は電解鉄粒を、Alを添加したい場合はAl粒を、AlとVを増加したい場合はAl−V合金粒を、FeとMoを増加したい場合はFe−Mo合金を、それぞれ副原料1cとして添加する。副原料1cは、1種類のみを添加しても良いし、複数種類を同時に添加してもよい。   The auxiliary material 1c is added to at least one of the titanium sponge 1a and the titanium scrap 1b in order to obtain a titanium block 2 having a target chemical composition. For example, titanium oxide is added when oxygen is added, electrolytic iron particles are added when iron is added, Al particles are added when Al is added, and Al—V alloy particles are added when Fe and Al are added. When it is desired to increase Mo, an Fe—Mo alloy is added as an auxiliary material 1c. Only one type of auxiliary material 1c may be added, or a plurality of types may be added simultaneously.

(1−5)副原料の大きさ
副原料1cの大きさは、平均粒径で0.1μm以上10mm以下の粉末あるいは粒状であることが望ましい。平均粒径が0.1μm未満の粉末では、このような微粉を搬送したり混合する際に、容易に舞い上がり周囲に飛散するために、所定の質量を添加できなくなる。
(1-5) Size of auxiliary material The size of the auxiliary material 1c is desirably a powder or a granule having an average particle diameter of 0.1 μm or more and 10 mm or less. When the average particle size is less than 0.1 μm, when such fine powder is conveyed or mixed, it easily rises and scatters to the surroundings, so that a predetermined mass cannot be added.

一方、平均粒径が10mmより大きい粒であると、後工程の電子ビームを照射してチタンブリケット1を溶解できる範囲に限りがあるため、スポンジチタン1aおよびチタンスクラップ1bと均一に溶解できないため望ましくない。   On the other hand, if the average particle size is larger than 10 mm, the range in which the titanium briquette 1 can be dissolved by irradiating the electron beam in the subsequent process is limited, so that it cannot be uniformly dissolved with the sponge titanium 1a and titanium scrap 1b. Absent.

2.チタン塊
図2に示すように、チタン塊2は、スポンジチタン1aを円柱状、角柱状や多角柱状の棒形状に圧縮成形してチタンブリケット1にした後、その表面を溶解したものであり、その表面に柱状組織2a,2bを備えている。チタン塊2は、後述するように、チタン板材により作製した容器(梱包材)に充填されることで、チタンスラブ3を形成する材料となる。あるいは、チタン塊2は、熱間加工用素材(中間製品)として利用され得る。この場合、チタン塊2は、その大きさや形状により、チタンスラブ、チタンビレット、またはチタンブルームとも称す。
2. Titanium lump As shown in FIG. 2, the titanium lump 2 is formed by compression-molding sponge titanium 1 a into a cylindrical, prismatic or polygonal rod shape to form titanium briquette 1, and then dissolving the surface thereof. Columnar structures 2a and 2b are provided on the surface. As will be described later, the titanium block 2 is filled in a container (packing material) made of a titanium plate material, and becomes a material for forming the titanium slab 3. Alternatively, the titanium block 2 can be used as a material for hot working (intermediate product). In this case, the titanium block 2 is also referred to as a titanium slab, a titanium billet, or a titanium bloom depending on its size and shape.

(2−1)チタン塊の化学組成
チタン塊2の化学組成は、チタンブリケット1の原料として利用されるスポンジチタン1aおよび/またはチタンスクラップ1bの化学組成やその重量割合、添加する副原料1cの化学組成とその重量割合によって決まる。このため、目標となるチタン塊2の化学組成が得られるように、予め、スポンジチタン1aおよびチタンスクラップ1b、副原料1cの化学組成を化学分析等により把握しておき、その化学組成に応じて、必要な各々の原料の重量を求める。なお、電子ビーム溶解により、揮発除去される元素(例えば塩素やマグネシウム)は、チタンブリケット1に含まれていたとしても、チタン塊2には含まれない。
(2-1) Chemical composition of the titanium lump The chemical composition of the titanium lump 2 is that of the titanium titanium 1a and / or titanium scrap 1b used as a raw material for the titanium briquette 1, its weight ratio, and the auxiliary raw material 1c to be added. Depends on chemical composition and weight percentage. Therefore, in order to obtain the target chemical composition of the titanium lump 2, the chemical composition of the sponge titanium 1a, the titanium scrap 1b, and the auxiliary raw material 1c is grasped in advance by chemical analysis or the like, and according to the chemical composition. Determine the weight of each raw material required. Note that elements that are volatilized and removed by electron beam melting (for example, chlorine and magnesium) are not included in the titanium block 2 even though they are included in the titanium briquette 1.

本発明のチタン塊の化学組成は、質量%で、O:0.01〜0.5%、Fe:0.01〜5%、Al:0〜8%、Sn:0〜5%、Zr:0〜12%、Mo:0〜15%、Ta:0〜2%、V:0〜22%、Nb:0〜2%、Si:0〜1%、Cr:0〜10%、Cu:0〜0.1%、Co:0〜1%、Ni:0〜1%、白金族元素:0〜0.5%、REM:0〜0.2%、B:0〜3%、N:0〜0.2%、C:0〜2%、H:0〜0.013%、残部がチタンおよび不純物である。   The chemical composition of the titanium ingot of the present invention is mass%, O: 0.01 to 0.5%, Fe: 0.01 to 5%, Al: 0 to 8%, Sn: 0 to 5%, Zr: 0 to 12%, Mo: 0 to 15%, Ta: 0 to 2%, V: 0 to 22%, Nb: 0 to 2%, Si: 0 to 1%, Cr: 0 to 10%, Cu: 0 -0.1%, Co: 0 to 1%, Ni: 0 to 1%, Platinum group element: 0 to 0.5%, REM: 0 to 0.2%, B: 0 to 3%, N: 0 -0.2%, C: 0-2%, H: 0-0.013%, the balance being titanium and impurities.

白金族元素は、具体的には、Ru,Rh、Pd、Os、IrおよびPtから選択される一種以上であり、白金族元素の含有量は上記元素の合計含有量を意味する。また、REMは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素の総称であり、REMの含有量は上記元素の合計量を意味する。   Specifically, the platinum group element is at least one selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt, and the content of the platinum group element means the total content of the above elements. REM is a general term for a total of 17 elements of Sc, Y and lanthanoid, and the content of REM means the total amount of the above elements.

チタン塊における残部チタンの含有量は70%以上であることが好ましい。必要に応じて、75%以上、80%以上、85%以上としてもよい。Al、Sn、Zr、Mo、Ta、V、Nb、Si、Cr、Co、Ni、白金族元素、REM、及びBの含有は必須ではなく、それぞれの含有量の下限は、0%である。必要に応じて、Al、Sn、Zr、Mo、Ta、V、Nb、Si、Cr、Co、Ni、白金族元素、REM、及びBのそれぞれの含有量の下限は、いずれも、0.01%、0.05%、0.1%、0.2%、又は0.5%としてもよい。   The content of the remaining titanium in the titanium ingot is preferably 70% or more. As needed, it is good also as 75% or more, 80% or more, and 85% or more. The inclusion of Al, Sn, Zr, Mo, Ta, V, Nb, Si, Cr, Co, Ni, platinum group elements, REM, and B is not essential, and the lower limit of each content is 0%. If necessary, the lower limit of each content of Al, Sn, Zr, Mo, Ta, V, Nb, Si, Cr, Co, Ni, platinum group elements, REM, and B is 0.01%. %, 0.05%, 0.1%, 0.2%, or 0.5%.

Oの上限は、0.4%、0.3%、0.2%、又は0.1%としてもよい。Feの上限は、3%、2%、1%、又は0.5%としてもよい。Alの含有量の上限は、5%、3%、2%、又は1%としてもよい。Snの含有量の上限は、3%、2%、1%、又は0.5%としてもよい。Zrの含有量の上限は、10%、8%、5%、又は2%としてもよい。Moの含有量の上限は、12%、9%、4%、又は2%としてもよい。Taの含有量の上限は、1%、0.5%、0.2%、又は0.1%としてもよい。Vの含有量の上限は、18%、15%、10%、又は5%としてもよい。Nbの含有量の上限は、1%、0.5%、0.2%、又は0.1%としてもよい。Siの含有量の上限は、0.8%、0.5%、0.2%、又は0.1%としてもよい。Crの含有量の上限は、8%、5%、2%、又は1%としてもよい。Coの含有量の上限は、0.8%、0.5%、0.2%、又は0.1%としてもよい。Niの含有量の上限は、0.8%、0.5%、0.2%、又は0.1%としてもよい。白金族元素の含有量の上限は、0.4%、0.3%、0.2%、又は0.1%としてもよい。Nの上限は、0.1%、0.05%、0.03%、又は0.02%としてもよい。Cuの上限は、0.8%、0.5%、0.2%、又は0.1%としてもよい。Cの上限は、1%、0.5%、0.2%、又は0.1%としてもよい。REMの含有量の上限は、0.1%、0.05%、0.03%、又は0.02%としてもよい。Bの含有量の上限は、2%、1%、0.5%、又は0.3%としてもよい。
それぞれの元素の添加目的を表1に示す。
The upper limit of O may be 0.4%, 0.3%, 0.2%, or 0.1%. The upper limit of Fe may be 3%, 2%, 1%, or 0.5%. The upper limit of the Al content may be 5%, 3%, 2%, or 1%. The upper limit of the Sn content may be 3%, 2%, 1%, or 0.5%. The upper limit of the Zr content may be 10%, 8%, 5%, or 2%. The upper limit of the Mo content may be 12%, 9%, 4%, or 2%. The upper limit of the Ta content may be 1%, 0.5%, 0.2%, or 0.1%. The upper limit of the V content may be 18%, 15%, 10%, or 5%. The upper limit of the Nb content may be 1%, 0.5%, 0.2%, or 0.1%. The upper limit of the Si content may be 0.8%, 0.5%, 0.2%, or 0.1%. The upper limit of the Cr content may be 8%, 5%, 2%, or 1%. The upper limit of the Co content may be 0.8%, 0.5%, 0.2%, or 0.1%. The upper limit of the Ni content may be 0.8%, 0.5%, 0.2%, or 0.1%. The upper limit of the platinum group element content may be 0.4%, 0.3%, 0.2%, or 0.1%. The upper limit of N may be 0.1%, 0.05%, 0.03%, or 0.02%. The upper limit of Cu may be 0.8%, 0.5%, 0.2%, or 0.1%. The upper limit of C may be 1%, 0.5%, 0.2%, or 0.1%. The upper limit of the REM content may be 0.1%, 0.05%, 0.03%, or 0.02%. The upper limit of the B content may be 2%, 1%, 0.5%, or 0.3%.
The purpose of adding each element is shown in Table 1.

Figure 2019026251
Figure 2019026251

チタン塊2は、各種の規格に定められた化学組成範囲に満足するように製造されることが好ましい。ASTM規格やAMS規格もあるが、以下、代表的な規格として主にJIS規格を中心に例示する。本発明は、これらの規格のチタン又はチタン合金の製造に用いることができる。   The titanium block 2 is preferably manufactured so as to satisfy the chemical composition range defined in various standards. Although there are ASTM standards and AMS standards, the following are mainly exemplified JIS standards as typical standards. The present invention can be used to produce titanium or titanium alloys of these standards.

(2−1−1)工業用純チタン
工業用純チタンは、酸素とFeを調整したJIS1種〜JIS4種(JIS H 4600(2012年)チタン及びチタン合金−板及び条)に属する工業用純チタンに例示される。工業用純チタンは、酸素とFeが少ないほど加工性が良好であり、酸素とFeが多いほど高強度である。JIS1種とは、C:0.08%以下、H:0.013%以下、O:0.15%以下、N:0.03%以下、Fe:0.20%以下、残部Tiおよび不純物の化学組成を有するチタンである。JIS2種とは、C:0.08%以下、H:0.013%以下、O:0.20%以下、N:0.03%以下、Fe:0.25%以下、残部Tiおよび不純物の化学組成を有するチタンである。JIS3種とは、C:0.08%以下、H:0.014%以下、O:0.30%以下、N:0.05%以下、Fe:0.30%以下、残部Tiおよび不純物の化学組成を有するチタンである。JIS4種とは、C:0.08%以下、H:0.015%以下、O:0.40%以下、N:0.05%以下、Fe:0.50%以下、残部Tiおよび不純物の化学組成を有するチタンである。
(2-1-1) Industrial Pure Titanium Industrial Pure Titanium belongs to JIS Class 1 to JIS Class 4 (JIS H 4600 (2012) Titanium and Titanium Alloy-Plate and Strip) with oxygen and Fe adjusted. Illustrative is titanium. The industrial pure titanium has better workability as the amount of oxygen and Fe decreases, and the strength increases as the amount of oxygen and Fe increases. JIS type 1 is C: 0.08% or less, H: 0.013% or less, O: 0.15% or less, N: 0.03% or less, Fe: 0.20% or less, the balance of Ti and impurities Titanium having a chemical composition. JIS type 2 is C: 0.08% or less, H: 0.013% or less, O: 0.20% or less, N: 0.03% or less, Fe: 0.25% or less, the balance of Ti and impurities Titanium having a chemical composition. JIS class 3 means C: 0.08% or less, H: 0.014% or less, O: 0.30% or less, N: 0.05% or less, Fe: 0.30% or less, the balance of Ti and impurities Titanium having a chemical composition. JIS class 4 is C: 0.08% or less, H: 0.015% or less, O: 0.40% or less, N: 0.05% or less, Fe: 0.50% or less, the balance of Ti and impurities Titanium having a chemical composition.

(2−1−2)耐食チタン合金
耐食チタン合金は、Pd,Ru,Ni,Co等を含むJIS11種〜JIS23種(JIS H 4600(2012年)チタン及びチタン合金−板及び条)に属するチタン合金に例示される。耐食チタン合金は、耐食性および耐隙間腐食性に優れる。
(2-1-2) Corrosion-resistant titanium alloy Corrosion-resistant titanium alloys are titanium belonging to JIS class 11 to JIS class 23 (JIS H 4600 (2012) titanium and titanium alloys-plates and strips) including Pd, Ru, Ni, Co and the like. Illustrated in alloys. The corrosion resistant titanium alloy is excellent in corrosion resistance and crevice corrosion resistance.

(2−1−3)チタン合金
チタン合金は、Ti−1.5Al((JIS50種(JIS H 4600(2012年)チタン及びチタン合金−板及び条))、Ti−6Al−4V(JIS60種(JIS H 4600(2012年)チタン及びチタン合金−板及び条))、Ti−3Al−2.5V(JIS61種(JIS H 4600(2012年)チタン及びチタン合金−板及び条))、Ti−4Al−22V(JIS80種(JIS H 4600(2012年)チタン及びチタン合金−板及び条))などが例示される。
(2-1-3) Titanium alloy Titanium alloy is Ti-1.5Al ((JIS 50 class (JIS H 4600 (2012) titanium and titanium alloy-plate and strip)), Ti-6Al-4V (JIS 60 class ( JIS H 4600 (2012) titanium and titanium alloy-plate and strip)), Ti-3Al-2.5V (JIS 61 class (JIS H 4600 (2012) titanium and titanium alloy-plate and strip)), Ti-4Al -22V (JIS 80 type (JIS H 4600 (2012) titanium and titanium alloy-plate and strip)) and the like.

Ti−1.5Alは、耐食性に優れ、耐水素吸収性および耐熱性に優れる。   Ti-1.5Al is excellent in corrosion resistance and excellent in hydrogen absorption resistance and heat resistance.

Ti−6Al−4Vは、高強度で汎用性が高い。   Ti-6Al-4V has high strength and high versatility.

Ti−3Al−2.5Vは、溶接性、成形性が良好で、切削性が良好である。   Ti-3Al-2.5V has good weldability and formability and good machinability.

Ti−4Al−22Vは、高強度で冷間加工性に優れる。   Ti-4Al-22V has high strength and excellent cold workability.

本発明によれば、上記以外にJISに規定されていない化学組成を有するチタン塊2を製造することもできる。例えば、以下に列記の通りである。   According to this invention, the titanium lump 2 which has a chemical composition not prescribed | regulated to JIS other than the above can also be manufactured. For example, as listed below.

耐熱性を有するTi−6Al−2Sn−4Zr−2Mo−0.08Si,Ti−6Al−5Zr−0.5Mo−0.2Si,Ti−8Al−1Mo−1V等と、
低合金で高強度のTi−1〜1.5Fe−0.3〜0.5O−0.01〜0.04N等と、 耐クリープ性に優れるTi−6Al−2Sn−4Zr−6Mo等と、
高強度で冷間加工性の良いTi−15V−3Cr−3Sn−3Al,Ti−20V−4Al−1Sn等と、
高強度高靭性のTi−10V−2Fe−3Al等と、
耐摩耗性Ti−6Al−4V−10Cr−1.3C等が例示される。
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si having heat resistance, Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si, Ti-8Al-1Mo-1V, etc.
Low alloy and high strength Ti-1 to 1.5Fe-0.3 to 0.5O-0.01 to 0.04N and the like, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo and the like excellent in creep resistance,
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, Ti-20V-4Al-1Sn, etc. with high strength and good cold workability,
High strength and high toughness Ti-10V-2Fe-3Al, etc.
Abrasion resistance Ti-6Al-4V-10Cr-1.3C etc. are illustrated.

(2−2)チタン塊の形状
チタン塊2の形状は、板状又は柱状が好適である。板状のチタン塊2の厚さは7〜80mmである。厚さの上限は、70mm、60mm、50mm又は40mmでもよい。柱状のチタン塊2は、長手方向に垂直な断面における形状が円形の場合と五角形以上の多角形の場合がある。断面形状が円形の場合、断面の直径を10〜80mmとする。断面の直径の上限は、70mm、60mm、50mm又は40mmでもよい。多角形の場合、その円相当直径を10〜80mmとする。円相当直径の上限は、70mm、60mm、50mm又は40mmでもよい。なお、円相当直径とは、断面の面積に相当する円の直径とする。
(2-2) Shape of titanium block The shape of the titanium block 2 is preferably a plate shape or a column shape. The thickness of the plate-like titanium block 2 is 7 to 80 mm. The upper limit of the thickness may be 70 mm, 60 mm, 50 mm, or 40 mm. The columnar titanium block 2 may have a circular shape in a cross section perpendicular to the longitudinal direction or a polygon that is a pentagon or more. When the cross-sectional shape is circular, the cross-sectional diameter is 10 to 80 mm. The upper limit of the cross-sectional diameter may be 70 mm, 60 mm, 50 mm, or 40 mm. In the case of a polygon, the circle equivalent diameter is 10 to 80 mm. The upper limit of the equivalent circle diameter may be 70 mm, 60 mm, 50 mm, or 40 mm. The equivalent circle diameter is the diameter of a circle corresponding to the cross-sectional area.

板状のチタン塊2の幅は、特に規定する必要はない。ただし、その下限は、厚さと同等、又は100mmとしてもよい。その上限は、100mm、500mm、1000mm、2000mmとしても良い。チタン塊2の長さは、特に規定する必要はない。ただし、その下限は、板幅、直径、又は円相当直径と同等、又は100mmとしてもよい。その上限は、500mm、1000mm、3000mm、5000mm、10000mmとしても良い。   The width of the plate-like titanium block 2 need not be specified. However, the lower limit may be equal to the thickness or 100 mm. The upper limit may be 100 mm, 500 mm, 1000 mm, or 2000 mm. The length of the titanium block 2 need not be specified. However, the lower limit may be equal to the plate width, diameter, or equivalent circle diameter, or 100 mm. The upper limit may be 500 mm, 1000 mm, 3000 mm, 5000 mm, or 10000 mm.

チタンブリケット1には空隙1dがあるため、チタンブリケット1から作製したチタン塊2の体積は、チタンブリケット1のそれより小さくなる。このため、所望の寸法のチタン塊2を得るためには、チタンブリケット1のかさ比重を考慮してチタンブリケット1の寸法を決める必要がある。   Since the titanium briquette 1 has a gap 1 d, the volume of the titanium block 2 made from the titanium briquette 1 is smaller than that of the titanium briquette 1. For this reason, in order to obtain the titanium block 2 having a desired size, it is necessary to determine the size of the titanium briquette 1 in consideration of the bulk specific gravity of the titanium briquette 1.

例えば、厚さ50mmの直方体形状のチタン塊2(かさ比重4.5)を得るためには、厚さ70mmの直方体形状のチタンブリケット1(かさ比重3.2)を用意すればよい。また、直径50mmの円柱形状のチタン塊2(かさ比重4.5)を得るためには、直径は60mmの円柱状のチタンブリケット1(かさ比重3.1)を用意すればよい。   For example, in order to obtain a rectangular parallelepiped titanium lump 2 (bulk specific gravity 4.5) having a thickness of 50 mm, a rectangular parallelepiped titanium briquette 1 (bulk specific gravity 3.2) having a thickness of 70 mm may be prepared. Further, in order to obtain a columnar titanium block 2 (bulk specific gravity 4.5) having a diameter of 50 mm, a columnar titanium briquette 1 (bulk specific gravity 3.1) having a diameter of 60 mm may be prepared.

チタン塊2が、板状の場合、その厚さが7mm未満ではチタンブリケット1の厚さも薄く、強度が小さくなる。この場合、移動や反転等、チタンブリケット1を扱う際に割れたり、角が欠けたりする。一方、その厚さが80mmより大きいと、後述するチタン塊の製造工程において、チタンブリケット1の溶解深さを大きくする必要がある。この場合、溶解後の冷却速度が遅くなって、結晶粒が粗大になってしまう。また、従来の溶解工程と同様に、巨大な出力の電子ビームが必要となる。   When the titanium block 2 is plate-shaped, if the thickness is less than 7 mm, the thickness of the titanium briquette 1 is thin and the strength is reduced. In this case, when the titanium briquette 1 is handled, such as moving or reversing, it breaks or corners are missing. On the other hand, if the thickness is larger than 80 mm, it is necessary to increase the dissolution depth of the titanium briquette 1 in the titanium lump manufacturing process described later. In this case, the cooling rate after dissolution becomes slow and the crystal grains become coarse. In addition, a huge output electron beam is required as in the conventional melting step.

チタン塊2が、柱形状の場合、その直径(多角柱形状の場合は、円相当直径)が、10mm未満では、チタンブリケット1の直径も小さく、強度が小さくなる。この場合、移動や回転等、チタンブリケット1を扱う際に割れたり、折れたりする。一方、その直径(多角柱形状の場合は、円相当直径)が80mmより大きくなると、後述するチタン塊の製造工程において、チタンブリケット1の溶解深さを大きくする必要がある。この場合、その後の冷却速度が遅くなり、結晶粒が粗大になってしまう。また、従来の溶解工程と同様に、巨大な出力の電子ビームが必要となる。   When the titanium block 2 has a column shape, the diameter (equivalent circle diameter in the case of a polygonal column shape) is less than 10 mm, the diameter of the titanium briquette 1 is also small and the strength is small. In this case, the titanium briquette 1 is broken or broken when it is moved or rotated. On the other hand, when the diameter (equivalent circle diameter in the case of a polygonal column shape) is larger than 80 mm, it is necessary to increase the dissolution depth of the titanium briquette 1 in the titanium lump manufacturing process described later. In this case, the subsequent cooling rate becomes slow and the crystal grains become coarse. In addition, a huge output electron beam is required as in the conventional melting step.

(2−3)チタン塊の結晶粒の大きさ
チタン塊2が板状であり、厚さが7〜80mmである場合、図2に示すように、チタン塊2の金属組織は、チタン塊2の表面から厚さ方向に延びる柱状組織2a,2bとなる。チタン塊2の板幅方向及び長手方向の中央部かつ厚さ方向の中央部(図2中の符号Aで示す領域、以下、中央領域と称す。なお、中央領域は、板厚方向の中央部にある。)における円相当平均結晶粒径が10mm以下、かつチタン塊2の厚さの半分以下である。チタン塊2が直径10〜80mmの円形である円柱形状、または、五角形以上の多角形であり、かつ円相当直径(断面積が同多角形の断面積と同じになる円の直径)が10〜80mmの多角柱形状を有する場合には、図3に示すように、チタン塊2の長手方向に垂直な断面において、表面から中心に向かう方向(径方向)に延びる柱状組織30aとなる。長手方向の中央部で、かつ前記断面の中心位置の(図中の符号Cで示す領域、以下中心領域と称す)の円相当平均結晶粒径が10mm以下、かつチタン塊2の断面直径の半分以下である。これにより、チタン塊2を熱間加工する場合に少ない加工率であっても容易に結晶粒を分断でき、製品に必要な細粒にすることができる。
(2-3) Size of crystal grain of titanium lump When the titanium lump 2 is plate-shaped and the thickness is 7 to 80 mm, as shown in FIG. Columnar structures 2a and 2b extending in the thickness direction from the surface of the film. The central portion of the titanium block 2 in the plate width direction and the longitudinal direction and the central portion in the thickness direction (the region indicated by the symbol A in FIG. 2, hereinafter referred to as the central region. The central region is the central portion in the plate thickness direction. The average equivalent crystal grain size in circle is 10 mm or less and half or less of the thickness of the titanium block 2. The titanium block 2 is a circular cylinder having a diameter of 10 to 80 mm, or a polygon having a pentagon or more, and an equivalent circle diameter (diameter of a circle whose cross-sectional area is the same as the cross-sectional area of the polygon) is 10 to 10. In the case of having a polygonal column shape of 80 mm, as shown in FIG. 3, in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the titanium block 2, a columnar structure 30 a extending in the direction (radial direction) from the surface toward the center is obtained. The circle-equivalent average crystal grain size is 10 mm or less at the central portion in the longitudinal direction and at the center position of the cross section (the region indicated by symbol C in the figure, hereinafter referred to as the central region), and half the cross sectional diameter of the titanium block 2 It is as follows. Thereby, even if it is a small processing rate when carrying out hot processing of the titanium lump 2, a crystal grain can be parted easily and it can be made into the fine grain required for a product.

なお、チタンブリケット表面に電子ビームを照射して溶解したチタン塊は、照射がなくなると速やかに凝固して、急速に表面から冷却される。このため、チタン塊2の長手方向に垂直な断面において、表面から、当該表面の面直方向に向かって柱状に伸びた結晶粒となる。チタン塊(板状)の厚さは、従来の鋳塊(通常200〜400mm)に比べ、7〜80mmと薄いため、チタン塊の中央領域も速やかに冷却する。このため、中央領域の平均結晶粒は、円相当直径で10mm以下、かつ厚さの半分以下となる。同様に、チタン塊(柱状)の直径は、従来の鋳塊に比べ、7〜80mmと短いため、チタン塊の中心領域も速やかに冷却する。これにより、チタン塊2を熱間加工する場合に小さい加工率であっても容易に結晶粒を分断でき、製品に必要な細粒にすることができる。   The titanium block melted by irradiating the surface of the titanium briquette with an electron beam is quickly solidified and rapidly cooled from the surface when the irradiation is stopped. For this reason, in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the titanium block 2, the crystal grains extend from the surface in a columnar shape toward the direction perpendicular to the surface. Since the thickness of the titanium ingot (plate shape) is as thin as 7 to 80 mm as compared with the conventional ingot (usually 200 to 400 mm), the central region of the titanium ingot is also quickly cooled. For this reason, the average crystal grain in the central region has a circle equivalent diameter of 10 mm or less and half or less of the thickness. Similarly, since the diameter of the titanium ingot (columnar shape) is as short as 7 to 80 mm as compared with the conventional ingot, the central region of the titanium ingot is rapidly cooled. Thereby, even if it is a small processing rate when carrying out hot processing of the titanium lump 2, a crystal grain can be parted easily and it can be made into the fine grain required for a product.

図2では、表面側と裏面側から延びる柱状組織の長さは、ほぼ同じである。換言すると、表面側と裏面から柱状に伸びた結晶の長さは、ほぼ同じである。しかし、表面側と裏面側からの照射する電子ビームの出力を大きく変えることにより、表面側からの柱状組織の長さと裏面側からの柱状組織の長さを、変えても差し支えない。この場合においても、板厚中央付近の冷却速度が速いので、中央領域の平均結晶粒が円相当直径で10mm以下、かつ厚さの半分以下とする。図3では、円柱表面から延びる柱状組織の長さは同じであるが、必ずしも長さが同じでなくてもよい。この場合も、中心領域付近の冷却速度が速いので、円柱の中心領域の平均結晶粒が円相当直径で10mm以下、かつ直径の半分以下とする。また、図2では、側面に対し板幅方向へ電子ビームを照射した結果、側面から短い長さの柱状組織が、板幅方向に延びている。このような側面に対する電子ビームの照射が好ましいが、全てのチタンブリケット1が溶解さえできるのであれば、側面に対する電子ビームの照射は必須ではない。   In FIG. 2, the lengths of the columnar structures extending from the front surface side and the back surface side are substantially the same. In other words, the lengths of the crystals extending in a columnar shape from the front side and the back side are substantially the same. However, the length of the columnar structure from the front side and the length of the columnar structure from the back side may be changed by greatly changing the output of the electron beam irradiated from the front side and the back side. Even in this case, since the cooling rate near the center of the plate thickness is fast, the average crystal grain in the center region is 10 mm or less in terms of the equivalent circle diameter and half or less of the thickness. In FIG. 3, the lengths of the columnar structures extending from the cylindrical surface are the same, but the lengths are not necessarily the same. Also in this case, since the cooling rate in the vicinity of the central region is fast, the average crystal grains in the central region of the cylinder are 10 mm or less in terms of the equivalent circle diameter and half or less of the diameter. In FIG. 2, as a result of irradiating the side surface with the electron beam in the plate width direction, a columnar structure having a short length extends from the side surface in the plate width direction. Although irradiation of the electron beam to such a side surface is preferable, as long as all the titanium briquettes 1 can be dissolved, irradiation of the electron beam to the side surface is not essential.

平均結晶粒の円相当直径の下限は、特に定めないが、チタン塊2で結晶粒径を小さくするためには、チタン塊2の厚さを極端に薄くすることが必要である。しかし、製造可能なチタン塊2の厚さに限られることから、0.5mm以上であることが望ましい。   The lower limit of the equivalent circle diameter of the average crystal grain is not particularly defined, but in order to reduce the crystal grain size in the titanium lump 2, it is necessary to extremely reduce the thickness of the titanium lump 2. However, since it is limited to the thickness of the titanium block 2 that can be manufactured, it is preferably 0.5 mm or more.

ここで対象とする結晶粒は、工業用純チタンやα型チタン合金の場合はα相の結晶粒であり、α+β二相チタン合金やβ型チタン合金の場合はβ相の結晶粒である。結晶粒は、チタン塊2の長手方向に垂直な断面を研磨した後、ふっ硝酸でエッチングすると目視であるいはルーペ(拡大鏡)で拡大して観察できる。チタン塊の中央領域(表面から厚さの1/2に位置する領域)の結晶を観察して結晶粒数を求め、観察面積をその結晶粒数で除して、結晶1個当たりの平均の面積を算出して、円相当直径を求めることにより、平均結晶粒を算出する。100〜200個の結晶粒が観察される領域に円を描き、その円の面積を「観察面積」とし、その円内に観察される結晶粒の数を「結晶粒数」とする。平均結晶粒径が小さく、目視で観察し難い場合は、光学顕微鏡で観察して写真撮影を行い、その組織写真から、同様にして平均結晶粒を求めてもよい。   The target crystal grains here are α-phase crystal grains in the case of industrial pure titanium and α-type titanium alloys, and β-phase crystal grains in the case of α + β two-phase titanium alloys and β-type titanium alloys. The crystal grains can be observed visually or magnified with a loupe (magnifying glass) when the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the titanium block 2 is polished and then etched with hydrofluoric acid. Observe the crystal in the central region of the titanium ingot (region located 1/2 the thickness from the surface) to obtain the number of crystal grains, divide the observation area by the number of crystal grains, The average crystal grain is calculated by calculating the area and calculating the equivalent circle diameter. A circle is drawn in a region where 100 to 200 crystal grains are observed, the area of the circle is defined as “observation area”, and the number of crystal grains observed in the circle is defined as “number of crystal grains”. When the average crystal grain size is small and difficult to observe visually, the photomicrograph may be taken by observing with an optical microscope, and the average crystal grain may be similarly determined from the structure photograph.

なお、チタン塊2においては、電子ビームでチタンブリケットの一部を溶解して順次凝固させることにより、最終的にチタンブリケット全体を溶解して凝固させる。溶解する範囲は、電子ビームが照射されている部分に限定されるため、溶解しているチタン塊(チタンブリケット)の量はわずかである。このため、凝固時にチタン以外の元素の濃化が少なく、すなわち凝固偏析も小さい。このため、添加されたチタン以外の元素の成分の場所による変動も小さく抑えられる。また、予め均一に混合したチタンブリケットを部分的に順次溶解するため、チタン原料の溶解むらはなく、電子ビーム照射が万が一停止するトラブルがあっても、その位置から再度、溶解すれば何ら問題は生じない。このように、直接スラブ鋳造方法のようなスラブの長手方向の成分の変動も抑えられる。すなわち、チタン塊2の長手方向における成分変動は少なく、その化学組成は均一である。 In addition, in the titanium lump 2, the whole titanium briquette is finally melted and solidified by melting and sequentially solidifying a part of the titanium briquette with an electron beam. Since the range to melt | dissolve is limited to the part irradiated with the electron beam, the quantity of the titanium lump (titanium briquette) which melt | dissolves is slight. For this reason, there is little concentration of elements other than titanium at the time of solidification, that is, solidification segregation is also small. For this reason, the fluctuation | variation by the location of the component of elements other than the added titanium is also suppressed small. In addition, since titanium briquettes that are uniformly mixed in advance are partially dissolved sequentially, there is no unevenness in the dissolution of the titanium raw material, and even if there is a problem that the electron beam irradiation stops, there is no problem if it is dissolved again from that position. Does not occur. Thus, fluctuations in the longitudinal component of the slab as in the direct slab casting method can be suppressed. That is, there are few component fluctuations in the longitudinal direction of the titanium block 2, and the chemical composition thereof is uniform.

チタン塊2の成分分析は、チタン塊2の所定の位置から分析用の試料を必要量採取し、以下に列記のいずれかの分析方法により行った。
JIS H 1612(1993年) チタン及びチタン合金中の窒素定量方法
JIS H 1614(1995年) チタン及びチタン合金中の鉄定量方法
JIS H 1617(1995年) チタン及びチタン合金中の炭素定量方法
JIS H 1619(2012年) チタン及びチタン合金−水素定量方法
JIS H 1620(1995年) チタン及びチタン合金中の酸素定量方法
JIS H 1621(1992年) チタン合金中のパラジウム定量方法
JIS H 1622(1998年) チタン合金−アルミニウム定量方法
JIS H 1624(2005年) チタン合金−バナジウム定量方法
JIS H 1625(2005年) チタン合金−ランタン,セリウム,プラセオジム及びネオジム定量方法
JIS H 1630(1995年) チタンの発光分光分析方法
JIS H 1631(2008年) チタン合金−蛍光X線分析方法
JIS H 1632(2014年) チタンのICP発光分光分析方法
The component analysis of the titanium block 2 was performed by taking a required amount of a sample for analysis from a predetermined position of the titanium block 2 and using any of the analysis methods listed below.
JIS H 1612 (1993) Method for determination of nitrogen in titanium and titanium alloys
JIS H 1614 (1995) Determination of iron in titanium and titanium alloys
JIS H 1617 (1995) Determination of carbon in titanium and titanium alloys
JIS H 1619 (2012) Titanium and titanium alloys-Determination of hydrogen
JIS H 1620 (1995) Determination of oxygen in titanium and titanium alloys
JIS H 1621 (1992) Determination of palladium in titanium alloys
JIS H 1622 (1998) Titanium alloy-aluminum determination method
JIS H 1624 (2005) Titanium alloy-vanadium determination method
JIS H 1625 (2005) Titanium alloy-Determination of lanthanum, cerium, praseodymium and neodymium
JIS H 1630 (1995) Titanium emission spectroscopy method
JIS H 1631 (2008) Titanium alloy-X-ray fluorescence analysis method
JIS H 1632 (2014) ICP emission spectroscopic analysis method for titanium

図6は、分析用試料を示す模式図である。図6に示すように、分析用の試料として、チタン塊2の長手方向の先端および後端から各50mmの位置(端部領域)の2か所と、その間を3等分して各等分の長さの中央位置の3か所の合計5ヶ所から採取した。チタン塊2の断面では、直方体形状(スラブ)のチタン塊2の場合、幅方向中心での表面と裏面の表層2か所で、円柱形状(インゴット)のチタン塊の場合、断面中心対称となる表層2か所から採取した。さらに、長手方向先端および後端から各50mmの位置では、厚さ中心/直径方向の中心からも採取した。このようにして、合計12か所(図6中の●の位置)から分析用試料を採取して分析を行い、化学組成の均一性は、下記のようにして評価した。   FIG. 6 is a schematic diagram showing a sample for analysis. As shown in FIG. 6, the sample for analysis is divided into two equal portions of 50 mm each from the front end and rear end in the longitudinal direction of the titanium block 2 (end region), and the interval between them is divided into three equal parts. The samples were collected from a total of 5 locations, 3 locations in the middle of the length. In the cross section of the titanium lump 2, in the case of a rectangular parallelepiped (slab) titanium lump 2, the center of the cross section is symmetrical in the case of a columnar (ingot) titanium lump in the surface layer on the front and back surfaces at the center in the width direction. Collected from two surface layers. Further, at a position of 50 mm from the front end and the rear end in the longitudinal direction, the sample was also taken from the center of the thickness center / diameter direction. In this way, samples for analysis were collected from a total of 12 locations (positions marked with ● in FIG. 6) and analyzed, and the uniformity of the chemical composition was evaluated as follows.

各元素の含有量の最大値CMAXと最小値CMINの差分ΔCが、0.2CMIN未満または0.04%未満の場合、均一であると評価する。例えば、Oの測定値の最小値が0.04%、最大値が0.05%の場合、その差分ΔC(=0.01%)は、0.04%未満であるため、均一であると評価される。また、Oの測定値の最小値が0.30%、最大値が0.32%の場合、その差分ΔC(=0.02%)は、0.2CMIN(=0.060%)未満であるため、均一であると評価される。例えば、Oの測定値の最小値が0.03%、最大値が0.05%の場合、その差分ΔC(=0.02%)は、0.04%未満であるため、均一であると評価される。また、Oの測定値の最小値が0.30%、最大値が0.35%の場合、その差分ΔC(=0.05%)は、0.2CMIN(=0.060%)未満であるため、均一であると評価される。When the difference ΔC between the maximum value C MAX and the minimum value C MIN of the content of each element is less than 0.2C MIN or less than 0.04%, it is evaluated as being uniform. For example, when the minimum value of the measured value of O is 0.04% and the maximum value is 0.05%, the difference ΔC (= 0.01%) is less than 0.04%, so that it is uniform. Be evaluated. Further, when the minimum value of the measured value of O is 0.30% and the maximum value is 0.32%, the difference ΔC (= 0.02%) is less than 0.2C MIN (= 0.060%). Therefore, it is evaluated as uniform. For example, when the minimum value of the measured value of O is 0.03% and the maximum value is 0.05%, the difference ΔC (= 0.02%) is less than 0.04%, so that it is uniform. Be evaluated. When the minimum value of the measured value of O is 0.30% and the maximum value is 0.35%, the difference ΔC (= 0.05%) is less than 0.2C MIN (= 0.060%). Therefore, it is evaluated as uniform.

3.チタンブリケットの製造方法
チタンブリケット1は、図1に示すように、上記の原料1a,1bおよび副原料1cを圧縮成形して作製された成形体である。
3. Production Method of Titanium Briquette Titanium briquette 1 is a molded body produced by compression molding the raw materials 1a and 1b and the auxiliary raw material 1c as shown in FIG.

スポンジチタン1aやチタンスクラップ1bは不定形であるため、このままでは所定の形状(直方体、角柱や円柱等)にすることができない。まず、必要なスポンジチタン1a、チタンスクラップ1bおよび副原料1cを容器に入れて混合する。チタンに比べて揮発しやすい元素は、後段の電子ビーム照射により揮発して減少するため、予めその揮発量を考慮した量の元素を添加しておくのがよい。   Since the sponge titanium 1a and the titanium scrap 1b are indefinite, they cannot be formed into a predetermined shape (a rectangular parallelepiped, a prism, a cylinder, or the like) as they are. First, necessary titanium sponge 1a, titanium scrap 1b and auxiliary raw material 1c are put in a container and mixed. Since elements that are more volatile than titanium are volatilized and reduced by subsequent electron beam irradiation, it is preferable to add an element in an amount in consideration of the volatilization amount in advance.

混合した原料は、所望の大きさのチタンブリケット1の断面と同じ形状の金型に投入して、所定の圧力で圧縮加工して、チタンブリケット1が得られる。圧縮成形する際の雰囲気は通常、常温の大気(空気)である。   The mixed raw material is put into a die having the same shape as the cross section of the titanium briquette 1 having a desired size, and is compressed by a predetermined pressure, whereby the titanium briquette 1 is obtained. The atmosphere at the time of compression molding is usually ambient air (air).

混合手段は、特に問わないが、生産性等の観点から、以下に説明する手段を採ることが望ましい。   The mixing means is not particularly limited, but it is desirable to adopt the means described below from the viewpoint of productivity and the like.

(a)混合容器に所定量のスポンジチタン1a、チタンスクラップ1bと副原料1cを投入する。   (A) A predetermined amount of sponge titanium 1a, titanium scrap 1b and auxiliary raw material 1c are put into a mixing container.

(b)混合容器内でスポンジチタン1a、チタンスクラップ1bと副原料1cが均一に混合するように撹拌する。撹拌する方法は、混合容器を上下方向に回転させたり、水平から20〜70°傾けて斜め方向に回転させたり、混合容器を上下方向や水平方向等に振動させたり、混合容器内に撹拌子を挿入して撹拌子を回転させたりする等である。   (B) Agitation is performed so that the sponge titanium 1a, titanium scrap 1b, and auxiliary material 1c are uniformly mixed in the mixing container. Stirring can be performed by rotating the mixing container up and down, tilting it at an angle of 20 to 70 ° from the horizontal and rotating it in an oblique direction, vibrating the mixing container up and down, horizontally, etc. Or the like, and the stirring bar is rotated.

(c)撹拌時間は、混合容器の大きさや混合するスポンジチタン1a、チタンスクラップ1bと副原料1cの量によるが、1〜30分間である。生産性を考慮すると、数分間で均一に混合できるように、混合容器の大きさや処理量を決めることが望ましい。   (C) The stirring time is 1 to 30 minutes, depending on the size of the mixing container and the amount of the sponge titanium 1a, titanium scrap 1b and auxiliary raw material 1c to be mixed. In consideration of productivity, it is desirable to determine the size and the processing amount of the mixing container so that uniform mixing can be performed within a few minutes.

(d)混合したスポンジチタン1a、チタンスクラップ1bと副原料1cは、混合容器から圧縮成形用のプレス金型へ投入して、圧縮成形を行う。これにより、副原料1cが均一に分散したスポンジチタンブリケット1が得られる。   (D) The mixed sponge titanium 1a, titanium scrap 1b, and auxiliary raw material 1c are put into a press mold for compression molding from a mixing container to perform compression molding. Thereby, the sponge titanium briquette 1 in which the auxiliary material 1c is uniformly dispersed is obtained.

チタンブリケット1の大きさは、チタン塊2の大きさや、圧縮加工装置から制約される金型の大きさに応じて適宜決めればよい。   What is necessary is just to determine the magnitude | size of the titanium briquette 1 suitably according to the magnitude | size of the titanium lump 2, and the magnitude | size of the metal mold | die restricted by a compression processing apparatus.

4.チタン塊2の製造方法
本発明に係るチタン塊2は、図2に示すように、上記で製作したチタンブリケット1から得られる。
4). Method for Producing Titanium Mass 2 Titanium mass 2 according to the present invention is obtained from titanium briquette 1 produced as described above, as shown in FIG.

(4−1)雰囲気
チタンブリケット1は、チャンバー内に格納されて、チャンバー内を1Pa以下になるように減圧にする。チタンブリケット1の内部には空気(酸素や窒素)の入った空隙1dが多数あり、このまま溶解すると、チタン塊2が酸化、窒化したり、気泡が残ったりして、熱間加工後に割れや表面疵の原因になる。このため、1Pa以下になるように減圧して、チタンブリケット1の内部の空隙1dから空気を排除する。
(4-1) Atmosphere The titanium briquette 1 is stored in a chamber and the pressure in the chamber is reduced to 1 Pa or less. Inside the titanium briquette 1, there are many voids 1d containing air (oxygen or nitrogen). If dissolved as it is, the titanium mass 2 is oxidized, nitrided, or bubbles remain, and cracks and surfaces after hot working Causes wrinkles. For this reason, it decompresses so that it may become 1 Pa or less, and excludes air from the space | gap 1d inside the titanium briquette 1. FIG.

圧力の下限は特に限定されないが、チャンバー内の圧力を極端に小さくするためには、装置の気密性を向上させたり、真空排気機器を増強させたりするなどにより製造コストが上昇するため、チャンバー内の圧力の下限は1×10−3Paとすることが望ましい。Although the lower limit of the pressure is not particularly limited, in order to extremely reduce the pressure in the chamber, the manufacturing cost increases by improving the airtightness of the apparatus or strengthening the vacuum evacuation equipment. The lower limit of the pressure is desirably 1 × 10 −3 Pa.

(4−2)溶解
減圧されたチャンバー内に設置されたチタンブリケット1は、まず上面に電子ビームが照射され、順次、溶解及び凝固される。詳細には、チタンブリケット1の厚さ方向の一部(例えばおよそ半分)2aに対し、電子ビームを照射して順次溶解し、凝固させる。電子ビームにより溶解できる範囲には限りがあるため、電子ビームの照射方向を動かしたり、チタンブリケット1を動かしたりして、チタンブリケット1の上面全体に電子ビームを照射して、チタンブリケット1の厚さ方向の一部2aを溶解し、凝固させる。
(4-2) Dissolution The titanium briquette 1 installed in the decompressed chamber is first irradiated with an electron beam on the upper surface, and is sequentially dissolved and solidified. Specifically, a part (for example, approximately half) 2a in the thickness direction of the titanium briquette 1 is irradiated with an electron beam to be sequentially melted and solidified. Since the range that can be melted by the electron beam is limited, the thickness of the titanium briquette 1 is changed by moving the irradiation direction of the electron beam or moving the titanium briquette 1 to irradiate the entire upper surface of the titanium briquette 1 with the electron beam. A portion 2a in the vertical direction is dissolved and solidified.

その後、チタンブリケット1を反転させて、他の面(側面、端面や裏面)を上側にして、まだ溶解及び凝固していない厚さ方向の残りの一部(例えばおよそ半分)2bを、同様に電子ビームを照射し、チタンブリケット1の厚さ方向の全域を順次溶解及び凝固させてチタン塊とする。これにより、表面から厚さ方向に延びる柱状組織が得られる。図3に示す円柱状のチタンブリケット1の場合は、円周面を溶解する際には、円柱の軸周りに回転させながら、電子ビームを照射し、チタン塊とてもよい。これにより、チタン塊の長手方向に垂直な断面において、表面から中心に向かう方向(径方向)に延びる柱状組織が得られる。このように、溶解時にチタンブリケットを転回(板状ブリケットの反転、円柱状ブリケットの回転)することにより、チタンブリケットの全てを溶解及び凝固させてチタン塊とすることが可能となる。   Thereafter, the titanium briquette 1 is inverted, and the other surface (side surface, end surface or back surface) is turned upward, and the remaining part (for example, approximately half) 2b in the thickness direction that has not been dissolved and solidified is similarly By irradiating with an electron beam, the entire region in the thickness direction of the titanium briquette 1 is sequentially melted and solidified to form a titanium lump. Thereby, a columnar structure extending in the thickness direction from the surface is obtained. In the case of the cylindrical titanium briquette 1 shown in FIG. 3, when melting the circumferential surface, the electron beam is irradiated while rotating around the axis of the cylinder, and the titanium mass is very good. Thereby, in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the titanium block, a columnar structure extending in the direction (radial direction) from the surface toward the center is obtained. Thus, by rotating the titanium briquette during melting (inversion of the plate briquette, rotation of the cylindrical briquette), it is possible to dissolve and solidify all of the titanium briquette to form a titanium lump.

チタンブリケット1の厚さ方向の一部2aを溶解する際には、チタンブリケット1の厚さ方向全体や径方向全体を溶解しないように電子ビームを調整する。厚さ全体や径方向全体を溶解すると(いわゆる電子ビームが突き抜けて)、溶融したチタンがチタンブリケット1の下方から流れ出して、所望の形状を維持できなくなる。   When the part 2a in the thickness direction of the titanium briquette 1 is melted, the electron beam is adjusted so as not to melt the entire thickness direction and the entire radial direction of the titanium briquette 1. When the entire thickness or the entire radial direction is melted (so-called electron beam penetrates), the melted titanium flows out from below the titanium briquette 1 and the desired shape cannot be maintained.

このため、チタンブリケット1の溶解深さはチタンブリケット1の板厚未満または直径未満になるようにする。通常は、厚さや直径の半分程度を溶解して、反転あるいは回転させて残りの半分程度を溶解することによって、チタンブリケッ1の全体を溶解することが望ましい。   For this reason, the melting depth of the titanium briquette 1 is set to be less than the plate thickness or the diameter of the titanium briquette 1. Usually, it is desirable to dissolve the entire titanium briquette 1 by melting about half of the thickness and diameter and then reversing or rotating to dissolve the remaining half.

なお、チタンブリケット1の大きさ(幅や長さ)には制約があるため、大きなチタン塊2を得る際は、複数個のチタンブリケット1を並べて電子ビームにより溶解接合すればよい。又、空隙1dからの空気除去処理、及び電子ビームによるチタンブリケット1の溶解処理(反転後の溶解も含む)は、減圧下において連続的に行われることが好ましい。   Since the size (width and length) of the titanium briquette 1 is limited, when a large titanium lump 2 is obtained, a plurality of titanium briquettes 1 may be arranged and melt-bonded by an electron beam. Moreover, it is preferable that the air removal treatment from the air gap 1d and the titanium briquette 1 dissolution treatment (including dissolution after inversion) by an electron beam are continuously performed under reduced pressure.

5.チタンスラブ3
次に、本発明に係るチタン塊2を用いたチタンスラブ3とチタン板材4aを説明する。
5. Titanium slab 3
Next, a titanium slab 3 and a titanium plate 4a using the titanium block 2 according to the present invention will be described.

図4または図5に示すように、チタンスラブ3は、上記で得られたチタン塊2、20を、同種の化学組成を有するチタン板材4a、40aにより作製した容器(梱包材)4、40に充填し、梱包材4、40のつなぎ目を全て溶接して溶接部5、50を形成したものである。チタンスラブ3は、その大きさや形状により、チタンビレットやチタンブルームとも称し、熱間加工用素材(中間製品)を示す。   As shown in FIG. 4 or FIG. 5, the titanium slab 3 is used for containers (packing materials) 4 and 40 in which the titanium blocks 2 and 20 obtained above are made of titanium plate materials 4a and 40a having the same kind of chemical composition. It fills and welds all the joints of the packing materials 4 and 40, and forms the welding parts 5 and 50. FIG. The titanium slab 3 is also called a titanium billet or titanium bloom depending on its size and shape, and indicates a material for hot working (intermediate product).

本発明に係るチタンスラブ3は、チタン板材4aにより覆われた内部が真空であり、本発明に係るチタン塊2を格納したものである。   The titanium slab 3 according to the present invention has a vacuum inside of the titanium plate material 4a and stores the titanium block 2 according to the present invention.

図4に示すように、本発明に係るチタンスラブ3は、チタン板材4aにより形成された梱包材4と、梱包材4の内部に充填されたチタン塊2とを備えるチタンスラブであって、梱包材4の内圧が、絶対圧で10Pa以下であり、チタン板材4aはチタン塊2と同種の化学組成を有する、加工用素材である。前述のように、チタン塊2は、各種の規格に定められた化学組成範囲に満足するように製造されることが多い。梱包材4の化学組成は、チタン塊2に求められる規格と同じ化学組成範囲となることが好ましい。すなわち、同種とは、梱包材4とチタン塊2が同じ規格の化学組成範囲内となることを意味する。   As shown in FIG. 4, the titanium slab 3 according to the present invention is a titanium slab including a packing material 4 formed of a titanium plate 4 a and a titanium block 2 filled in the packing material 4. The internal pressure of the material 4 is 10 Pa or less in absolute pressure, and the titanium plate material 4 a is a processing material having the same kind of chemical composition as the titanium block 2. As described above, the titanium block 2 is often manufactured so as to satisfy the chemical composition range defined in various standards. The chemical composition of the packing material 4 is preferably in the same chemical composition range as the standard required for the titanium block 2. That is, the same kind means that the packing material 4 and the titanium block 2 are within the same chemical composition range.

梱包材4を形成するチタン板材4aを説明する。   The titanium plate material 4a that forms the packing material 4 will be described.

チタン板材4aは、圧延,押出し,引抜き,鍛造などの熱間または冷間での塑性加工によって造られたチタン板やチタン管である。チタン板材4aは、塑性加工されているため、表面が平滑で組織が細かい(結晶粒が小さい)という利点がある。   The titanium plate 4a is a titanium plate or a titanium tube made by hot or cold plastic working such as rolling, extruding, drawing, or forging. Since the titanium plate 4a is plastically processed, there is an advantage that the surface is smooth and the structure is fine (crystal grains are small).

(5−1)厚さ
梱包材4が直方体である場合、チタン板材4aの厚さは、作製する梱包材4の大きさによって異なるが、0.5mm以上30mm以下であることが望ましい。梱包材4が大きいほど、強度や剛性が必要であるため、より厚いチタン板材4aを用いる。
(5-1) Thickness When the packaging material 4 is a rectangular parallelepiped, the thickness of the titanium plate material 4a varies depending on the size of the packaging material 4 to be produced, but is desirably 0.5 mm or more and 30 mm or less. As the packing material 4 is larger, strength and rigidity are required, so a thicker titanium plate 4a is used.

0.5mm未満では熱間加工前の加熱時に梱包材4が変形したり、熱間加工初期に破断したりする可能性があるので好ましくない。30mmより厚いと、チタンスラブ3の厚さに占めるチタン板材4aの割合が大きくなり、チタン塊2の充填量が少なくなるため、チタン塊2を加工する量が少なく、製造効率が劣り望ましくない。チタン板材4aの厚さはコスト低減のためには薄いことが好ましく、20mm以下、10mm又は5mm以下としてもよい。熱間加工初期の破断を確実に防止するため、厚さを1mm以上、2mm以上又は3mm以上としてもよい。   If it is less than 0.5 mm, the packaging material 4 may be deformed at the time of heating before hot working or may break at the initial stage of hot working, which is not preferable. If it is thicker than 30 mm, the proportion of the titanium plate material 4a in the thickness of the titanium slab 3 is increased, and the filling amount of the titanium lump 2 is reduced. Therefore, the amount of processing of the titanium lump 2 is small, and the production efficiency is inferior. The thickness of the titanium plate 4a is preferably thin for cost reduction, and may be 20 mm or less, 10 mm, or 5 mm or less. The thickness may be 1 mm or more, 2 mm or more, or 3 mm or more in order to reliably prevent breakage at the initial stage of hot working.

さらに、チタン板材4aの厚さは、チタンスラブ3の厚さの3%以上25%以下であることが望ましい。チタン板材4aの厚さが、チタンスラブ3の厚さの3%より薄いと、チタン塊2を保持し難くなり、熱間加工前の加熱時に大きく変形したり、梱包材4の溶接部5が破断したりする。   Furthermore, the thickness of the titanium plate 4a is desirably 3% or more and 25% or less of the thickness of the titanium slab 3. If the thickness of the titanium plate 4a is less than 3% of the thickness of the titanium slab 3, it will be difficult to hold the titanium block 2, and it will be greatly deformed during heating before hot working, or the welded part 5 of the packing 4 will It breaks.

一方、チタン板材4aの厚さが、チタンスラブ3の厚さの25%より厚いと、製造上の問題は特にないものの、チタンスラブ3の厚さに占めるチタン板材4aの割合が大きくなり、チタン塊2の充填量が少なくなるため、チタン塊2を加工する量が少なく、製造効率が劣り好ましくない。   On the other hand, if the thickness of the titanium plate material 4a is greater than 25% of the thickness of the titanium slab 3, there is no particular problem in manufacturing, but the proportion of the titanium plate material 4a in the thickness of the titanium slab 3 increases. Since the filling amount of the lump 2 is reduced, the amount of processing of the titanium lump 2 is small, and the production efficiency is inferior.

梱包材4が管である場合も同様で、作製する梱包材4の大きさによってチタン板材4aの厚さは異なるが、管の肉厚は0.5mm以上30mm以下であることが望ましい。さらに、直方体の場合と同様に、チタン板材4aの厚さは、チタンスラブ3の直径の3%以上25%以下であることが望ましい。また、図5に示すように、チタン板材40aを中空管状に曲げて作製した梱包材40の内部にチタン塊2を充填し、チタン板材40aの端部を溶接して溶接部50を形成することによりチタンスラブ30としてもよい。   The same applies to the case where the packing material 4 is a tube. The thickness of the titanium plate 4a varies depending on the size of the packing material 4 to be produced, but the thickness of the tube is preferably 0.5 mm or more and 30 mm or less. Further, as in the case of the rectangular parallelepiped, the thickness of the titanium plate member 4a is desirably 3% or more and 25% or less of the diameter of the titanium slab 3. Moreover, as shown in FIG. 5, the inside of the packing material 40 produced by bending the titanium plate material 40a into a hollow tube is filled with the titanium lump 2, and the end of the titanium plate material 40a is welded to form the welded portion 50. The titanium slab 30 may be used.

(5−2)化学組成
梱包材4は、チタン塊2と同種の化学組成であることが必要である。ここで、同種の化学組成であることとは、具体的には、JISの同じ規格に属することを意味する。例えば、チタン塊2の化学組成がJIS1種に属する場合には、梱包材4もJIS1種に属する化学組成とする。ここで、チタン塊2に求められる規格は、売買時又は製造時の書類により確認することができる。また、この規格は、チタン塊2の表面の表示からも確認できる場合もある。必要に応じて、チタン塊2の化学組成(実績値)から±30%以内、±20%以内、±15%以内、±10%以内、±8%以内、±5%以内、又は±3%以内としてもよい。
(5-2) Chemical composition The packing material 4 needs to be the same chemical composition as the titanium block 2. Here, having the same chemical composition means specifically belonging to the same standard of JIS. For example, when the chemical composition of the titanium block 2 belongs to JIS class 1, the packing material 4 also has a chemical composition belonging to class JIS 1. Here, the standard calculated | required by the titanium lump 2 can be confirmed with the document at the time of sale or manufacture. This standard can also be confirmed from the display on the surface of the titanium block 2. As necessary, within ± 30%, within ± 20%, within ± 15%, within ± 10%, within ± 8%, within ± 5%, or ± 3% from the chemical composition (actual value) of titanium block 2 It may be within.

このように、梱包材4の化学組成を、チタン塊2と同種の化学組成とすることにより、加工後のチタンスラブの表層と内部とを同等の化学組成とすることができ、そのままチタン塊として扱うことができる。   Thus, by making the chemical composition of the packing material 4 the same type of chemical composition as the titanium block 2, the surface layer and the inside of the titanium slab after processing can have the same chemical composition, and the titanium block as it is Can be handled.

(5−3)梱包材4の結晶粒の大きさ
チタン板材4aは、適度な塑性加工を施して熱処理することにより、その結晶粒を調整することができる。梱包材4に用いるチタン板材4aの平均結晶粒は、円相当直径で500μm以下にすることが望ましい。これにより、チタンスラブ3を熱間加工した場合に、粗大な結晶の結晶方位の違いによって発生する表面疵を抑制することができる。
(5-3) Size of crystal grains of packing material 4 The titanium plate material 4a can be adjusted by subjecting it to an appropriate plastic working and heat treatment. It is desirable that the average crystal grain of the titanium plate 4a used for the packing material 4 is 500 μm or less in terms of equivalent circle diameter. Thereby, when the titanium slab 3 is hot-worked, it is possible to suppress surface defects generated due to the difference in crystal orientation of coarse crystals.

平均結晶粒の円相当直径の下限は、特に定めないが、チタン板材4aで結晶粒径を極端に小さくするためには、塑性加工時の加工割合を大きくすることが必要であり、梱包材4として使用できるチタン板材4aの厚さが限られるため、10μm以上であることが望ましく、15μmより大きいことがさらに望ましい。   The lower limit of the equivalent circle diameter of the average crystal grains is not particularly defined, but in order to make the crystal grain diameter extremely small with the titanium plate material 4a, it is necessary to increase the processing ratio at the time of plastic processing. Since the thickness of the titanium plate member 4a that can be used as a limit is limited, it is preferably 10 μm or more, and more preferably greater than 15 μm.

ここで対象とする結晶粒は、工業用純チタンやα型チタン合金の場合はα相の結晶粒であり、β型チタン合金の場合はβ相の結晶粒である。α+β二相チタン合金の場合はα相の集合組織体(αコロニー)である。αコロニーは、同じ結晶方位のα結晶粒の集合体である。   The target crystal grains are α-phase crystal grains in the case of industrial pure titanium and α-type titanium alloys, and β-phase crystal grains in the case of β-type titanium alloys. In the case of an α + β two-phase titanium alloy, it is an α phase texture (α colony). An α colony is an aggregate of α crystal grains having the same crystal orientation.

工業用純チタンやα型チタン合金、β型チタン合金の平均結晶粒は、梱包材4を構成するチタン板材4aの板厚方向を含む断面の組織を光学顕微鏡で観察して写真撮影を行い、その組織写真から、JIS G 0551(2005)に準拠した切断法により、チタン板材4aの表層(表面から深さ0.3mmまでの領域)の平均結晶粒を求める。   The average crystal grains of industrial pure titanium, α-type titanium alloy and β-type titanium alloy are photographed by observing the structure of the cross section including the thickness direction of the titanium plate material 4a constituting the packing material 4 with an optical microscope, From the structure photograph, the average crystal grain of the surface layer (region from the surface to a depth of 0.3 mm) of the titanium plate 4a is obtained by a cutting method in accordance with JIS G 0551 (2005).

α+β二相チタン合金の平均結晶粒径(αコロニーの大きさ)は、EBSD(電子線後方散乱回折;Electron Backscatter Diffraction)を用いて、以下に示す方法により求める。   The average crystal grain size (α colony size) of the α + β two-phase titanium alloy is determined by the following method using EBSD (Electron Backscatter Diffraction).

まず、チタン板材4aからなる梱包材4の板厚方向を含む断面を観察面とする試験片を採取し、次に、試験片の観察面の表層(表面から深さ0.3mmまでの領域)について、縦2.4mm横1.8mmの矩形の領域を視野とし、測定間隔は2.3μm、加速電圧15kVで、EBSDを用いて測定する。得られた測定結果から、菊池パターン解析よりPQ(パターンクオリティ)マップと相マップを作成し、α相を抽出する。なお、菊池パターン解析は、β相を排除してα相のみを対象として行う。次に、隣り合うEBSD測定点の結晶方位の角度差を15°以下としてαコロニーを決定し、そのαコロニーの測定点数から各αコロニーの面積を求め、円相当直径を算出する。   First, a test piece having a cross section including the plate thickness direction of the packaging material 4 made of the titanium plate material 4a as an observation surface is collected, and then the surface layer of the observation surface of the test piece (region from the surface to a depth of 0.3 mm). With a rectangular area of 2.4 mm in length and 1.8 mm in width as the field of view, measurement is performed using EBSD at a measurement interval of 2.3 μm and an acceleration voltage of 15 kV. From the obtained measurement results, a PQ (pattern quality) map and a phase map are created by Kikuchi pattern analysis, and an α phase is extracted. The Kikuchi pattern analysis is performed only on the α phase with the β phase excluded. Next, α colonies are determined by setting the angle difference between the crystal orientations of adjacent EBSD measurement points to 15 ° or less, the area of each α colony is obtained from the number of measurement points of the α colonies, and the equivalent circle diameter is calculated.

次に、チタンスラブ3を説明する。   Next, the titanium slab 3 will be described.

(5−4)形状
チタンスラブ3の形状は、制限されるものではないが、製造されるチタン塊の形状によって決められる。チタン薄板を製造する場合は、チタンスラブ3は直方体形状(スラブ)とする。チタンスラブ3の厚さ、幅および長さは、製品の厚さ、幅および長さ、製造量(重量)などにより決められる。
(5-4) Shape The shape of the titanium slab 3 is not limited, but is determined by the shape of the titanium mass to be produced. When manufacturing a titanium thin plate, the titanium slab 3 has a rectangular parallelepiped shape (slab). The thickness, width and length of the titanium slab 3 are determined by the thickness, width and length of the product, the production amount (weight), and the like.

チタン丸棒、線材または押出し形材を製造する場合は、チタンスラブ3は円柱形や八角柱などの多角柱形状(ビレット)である。その大きさ(直径、長さ)は、製品の大きさ厚さ、幅および長さ、製造量(重量)などにより決められる。   When manufacturing a titanium round bar, a wire, or an extruded shape, the titanium slab 3 has a polygonal columnar shape (billet) such as a cylindrical shape or an octagonal column. The size (diameter, length) is determined by the product thickness, width and length, production volume (weight), and the like.

(5−5)内部
チタンスラブ3の内部には、チタン塊2が充填されている。チタン塊2は1個あるいは複数個充填可能である。チタン塊2と梱包材4の間やチタン塊2同士の間には空隙6がある。この空隙6に空気があると、熱間加工前の加熱した際に、充填されたチタン塊2が酸化または窒化してしまい、その後に加工し得られたチタン材が脆くなって、必要な材料特性が得られなくなる。
(5-5) Inside The titanium slab 3 is filled with the titanium block 2. One or more titanium ingots 2 can be filled. There is a gap 6 between the titanium block 2 and the packing material 4 or between the titanium blocks 2. If there is air in the gap 6, the filled titanium lump 2 is oxidized or nitrided when heated before hot working, and the titanium material obtained after the work becomes brittle, so that necessary materials are obtained. Characteristics cannot be obtained.

また、Arガスなどの不活性ガスを充填すると、チタン塊2や梱包体6の酸化または窒化を抑制することができるものの、加熱時にArガスが熱膨張して梱包材4を押し広げ、チタンスラブ3が変形してしまい、熱間加工できなくなる。   Further, when filled with an inert gas such as Ar gas, the oxidation or nitridation of the titanium block 2 or the packing body 6 can be suppressed, but the Ar gas thermally expands during heating to expand the packing material 4 and thereby the titanium slab. 3 is deformed and cannot be hot worked.

以上の理由により、チタン塊2と梱包材4の間やチタン塊2同士の間の空隙は、極力減圧にしなければならない。具体的には、絶対圧で10Pa以下とすることが望ましく、さらに望ましくは1Pa以下である。   For the above reasons, the gap between the titanium block 2 and the packing material 4 or between the titanium blocks 2 must be reduced as much as possible. Specifically, the absolute pressure is preferably 10 Pa or less, and more preferably 1 Pa or less.

梱包材4の内圧が10Paより大きいと、残留している空気により、チタン塊2や梱包材4が酸化または窒化してしまう。下限は、特に限定されないが、内圧を極端に小さくするためには、装置の気密性を向上させたり、真空排気機器を増強させたりするなどにより製造コストが上がるため、内圧の下限は1×10−3Paとすることが望ましい。If the internal pressure of the packaging material 4 is greater than 10 Pa, the titanium lump 2 and the packaging material 4 are oxidized or nitrided by the remaining air. The lower limit is not particularly limited, but in order to extremely reduce the internal pressure, the manufacturing cost is increased by improving the air tightness of the apparatus or increasing the vacuum exhaust equipment. Therefore, the lower limit of the internal pressure is 1 × 10. -3 Pa is desirable.

なお、作製されたチタンスラブ3の内圧は、以下のように測定することができる。すなわち、水中または真空チャンバー内で、チタンスラブ3に穴をあけて、内部に残存しているガス(空気)を全量回収してその体積を測定するか、真空度の変化に基づいてその体積を計算することができる。又、チタンスラブ3内の空隙の体積は、内部に侵入した水を回収してその体積を求めることでも把握できる。本方法により、少なくとも、チタンスラブ3の内圧が、10Pa以下であることを確認することができる。   In addition, the internal pressure of the produced titanium slab 3 can be measured as follows. That is, a hole is made in the titanium slab 3 in water or in a vacuum chamber, and the volume of the gas (air) remaining inside is collected and measured, or the volume is determined based on the change in the degree of vacuum. Can be calculated. Further, the volume of the voids in the titanium slab 3 can also be grasped by collecting the water that has entered the interior and obtaining the volume. By this method, it can be confirmed that at least the internal pressure of the titanium slab 3 is 10 Pa or less.

(5−6)減圧方法
次に、梱包材4の内部を減圧して真空に保つ方法を説明する。
(5-6) Depressurization Method Next, a method for depressurizing the inside of the packing material 4 and maintaining a vacuum will be described.

梱包材4は、チタン塊2を充填した後、所定の内圧以下になるように減圧して密閉されたものである。あるいは、チタン板材4a同士を部分的に接合してから、減圧し、密閉してもよい。密閉することにより、空気が侵入することなく、熱間加工前の加熱時に内部のチタン塊2や梱包材4が酸化されることがない。   The packing material 4 is sealed by filling the titanium block 2 and then reducing the pressure so as to be equal to or lower than a predetermined internal pressure. Alternatively, the titanium plate members 4a may be partially joined and then depressurized and sealed. By sealing, air does not enter and the internal titanium lump 2 and the packing material 4 are not oxidized during heating before hot working.

密閉方法は、特に限定されないが、チタン板材4a同士を溶接して密閉するのが好ましい。この場合、溶接部5は、チタン板材4aの継ぎ目の全てを溶接して形成する、すなわち全周溶接を行う。チタン板材4aを溶接する方法は、ティグ溶接やミグ溶接などのアーク溶接、電子ビーム溶接やレーザー溶接など、特に限定はされない。   The sealing method is not particularly limited, but it is preferable to seal the titanium plate members 4a by welding. In this case, the welded portion 5 is formed by welding all the joints of the titanium plate 4a, that is, performing all-around welding. The method for welding the titanium plate 4a is not particularly limited, such as arc welding such as TIG welding or MIG welding, electron beam welding, or laser welding.

溶接する雰囲気は、チタン塊2および梱包材4の内面が、酸化または窒化されないように、減圧下でまたは不活性ガス雰囲気で溶接を行う。チタン板材4aのつなぎ目を最後に溶接する場合は、梱包材4を減圧下の容器(チャンバー)に入れて溶接を行い、梱包材4の内部を減圧状態に保つことが望ましい。   The welding is performed under reduced pressure or in an inert gas atmosphere so that the inner surfaces of the titanium block 2 and the packing material 4 are not oxidized or nitrided. When welding the joint of the titanium plate material 4a at the end, it is desirable to place the packing material 4 in a container (chamber) under reduced pressure and perform welding to keep the inside of the packing material 4 in a reduced pressure state.

その他、予め、梱包材4の一部に配管を設けて、不活性ガス雰囲気で全周を溶接した後、その配管を通じて所定の内圧にまで減圧にして、配管を圧着などにより封じることにより、梱包材4の内部を減圧状態にしてもよい。なお、この場合、配管は、後工程の熱間加工の際に不具合にならない位置、例えば、後端面に施工すればよい。   In addition, after providing piping in a part of the packing material 4 and welding the entire circumference in an inert gas atmosphere, the pressure is reduced to a predetermined internal pressure through the piping, and the piping is sealed by crimping etc. The inside of the material 4 may be in a reduced pressure state. In this case, the piping may be installed at a position that does not cause a problem during the hot processing in the subsequent process, for example, at the rear end face.

(5−7)加工
以上のようにして得られた、従来よりも薄肉あるいは細径のチタン塊2やチタンスラブ3は、熱間加工や冷間加工して所望の形状にする。加工の方法は、チタンスラブの形状によって異なるが、いずれも薄肉あるいは細径であるため、所望の大きさまで容易に加工することができる。
(5-7) Processing Titanium lump 2 and titanium slab 3 thinner or thinner than the conventional ones obtained as described above are hot processed or cold processed into a desired shape. The processing method varies depending on the shape of the titanium slab, but since each is thin or thin, it can be easily processed to a desired size.

チタン板を製造する場合は、直方体形状(スラブ)のチタン塊2あるいはチタンスラブ3を加熱して、熱間圧延を行いチタン板とする。必要に応じて、従来工程と同様に、酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延を行い、さらに薄く加工してもよい。   When manufacturing a titanium plate, the rectangular parallelepiped (slab) titanium block 2 or titanium slab 3 is heated and hot-rolled to obtain a titanium plate. As needed, after removing an oxide layer by pickling etc. like a conventional process, you may cold-roll and process further.

チタン丸棒や線材を製造する場合は、円柱や多角柱形状のチタン塊2あるいはチタンスラブ3を加熱して、熱間鍛造、熱間圧延や熱間押出しを行い、チタン丸棒や線材とする。また、必要に応じて、従来工程と同様に、酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延等を行い、さらに細く加工してもよい。チタン押出し型材を製造する場合は、円柱や多角柱形状のチタン塊2あるいはチタンスラブ3を加熱して、熱間押出しを行い、種々の断面形状のチタン形材とする。   When manufacturing titanium round bars and wire rods, the titanium ingot 2 or titanium slab 3 having a cylindrical or polygonal column shape is heated and subjected to hot forging, hot rolling or hot extrusion to obtain titanium round bars or wire rods. . Further, if necessary, after removing the oxide layer by pickling or the like, cold rolling or the like may be carried out to make it finer as in the conventional process. In the case of producing a titanium extrusion mold, a cylindrical or polygonal columnar titanium lump 2 or a titanium slab 3 is heated and subjected to hot extrusion to obtain titanium sections having various cross-sectional shapes.

チタン塊2を用いた場合は、熱間加工後の板や丸棒、形材の表面にヘゲ状の欠陥が発生する場合がある。この場合は、表面を切削、酸洗等により表面欠陥を除去する。   In the case where the titanium block 2 is used, there is a case where a bald defect is generated on the surface of a plate, a round bar, or a profile after hot working. In this case, surface defects are removed by cutting, pickling or the like.

チタンスラブ3を用いた場合は、熱間加工後の板や丸棒、形材の表面は良好であり、表面を手入れする必要はない。   When the titanium slab 3 is used, the surface of the plate, the round bar, and the profile after hot working is good, and it is not necessary to care for the surface.

次に、本発明の実施例について説明する。   Next, examples of the present invention will be described.

原料のチタン源としては、クロール法により製造したスポンジチタン(粒度=0.25mm以上19mm以下)で、酸素含有量0.03%、鉄含有量0.02%、窒素含有量0.002%、炭素含有量0.001%、水素含有量0.001%を用いた。また、チタンスクラップとして、JIS1種(酸素含有量0.04%、鉄含有量0.03%、窒素含有量0.001%、炭素含有量0.003%、水素含有量0.007%)の薄板を20〜30mm角に切断したものを一部(表1のNo.11,12参照)で使用した。   As a raw material titanium source, sponge titanium produced by a crawl method (particle size = 0.25 mm to 19 mm), oxygen content 0.03%, iron content 0.02%, nitrogen content 0.002%, A carbon content of 0.001% and a hydrogen content of 0.001% were used. Also, as titanium scrap, JIS Class 1 (oxygen content 0.04%, iron content 0.03%, nitrogen content 0.001%, carbon content 0.003%, hydrogen content 0.007%) A thin plate cut into 20 to 30 mm square was partially used (see Nos. 11 and 12 in Table 1).

副原料としては、酸化チタン粉、電解鉄、Pd粉粒、Al粒、Al−V合金粒、Sn粒、Zr粒、Mo粉、Ta粉、Nb粉、Si粉、Cr粒、Co粒、Ni粒、Ru粉、Mm(ミッシュメタル)粉、FeN粉、C粉、TiB粉をチタン塊の目標化学組成に応じて適宜使用した。なお、Al−V合金粒はAl含有量30%,V含有量70%の合金である。Mmは、主にLa(ランタン)、Ce(セリウム)、Nd(ネオジウム)からなる混合物を用いた。As auxiliary materials, titanium oxide powder, electrolytic iron, Pd powder grain, Al grain, Al-V alloy grain, Sn grain, Zr grain, Mo powder, Ta powder, Nb powder, Si powder, Cr grain, Co grain, Ni Grains, Ru powder, Mm (Misch metal) powder, FeN powder, C powder, and TiB 2 powder were appropriately used according to the target chemical composition of the titanium mass. The Al-V alloy grains are alloys having an Al content of 30% and a V content of 70%. For Mm, a mixture mainly composed of La (lanthanum), Ce (cerium), and Nd (neodymium) was used.

スポンジチタン、チタンスクラップや副原料は、ステンレス鋼製の混合容器に投入し、その混合容器を上下方向に回転することにより原料の混合を行った。混合された原料は、角状の金型に所定の量を投入し、圧縮成形することにより直方体形状のチタンブリケットを製作した。この時、チタンブリケットの大きさと重量から求めた空隙率は28〜45%であった。   Sponge titanium, titanium scrap, and auxiliary materials were put into a stainless steel mixing container, and the raw materials were mixed by rotating the mixing container up and down. A predetermined amount of the mixed raw material was put into a square mold and compression-molded to produce a rectangular parallelepiped titanium briquette. At this time, the porosity determined from the size and weight of the titanium briquette was 28 to 45%.

得られたチタンブリケットは、真空チャンバーに入れて、チタンブリケットの上面を電子ビームによりチタンブリケットの厚さの半分より2〜3mm多く溶解した。この溶解する量(厚さ)は、予め、電子ビームの出力と溶解できる厚さの関係を求めて、その結果より必要な厚さから電子ビームの出力を求めた。チタンブリケットの上面を凝固および冷却させた後、チタンブリケットを反転させて、裏面を同様に溶解した。   The obtained titanium briquette was put in a vacuum chamber, and the upper surface of the titanium briquette was melted by 2 to 3 mm more than half the thickness of the titanium briquette by an electron beam. For the amount (thickness) to be dissolved, the relationship between the output of the electron beam and the thickness that can be dissolved was obtained in advance, and the output of the electron beam was obtained from the required thickness from the result. After solidifying and cooling the upper surface of the titanium briquette, the titanium briquette was inverted and the back surface was similarly dissolved.

このようにして、チタンブリケット全体を溶解・凝固させて、幅300mm、長さ1200mmで種々の厚さの直方体のチタン塊を製作した。   In this way, the entire titanium briquette was melted and solidified, and rectangular parallelepiped titanium ingots having a width of 300 mm and a length of 1200 mm were produced.

比較例として、チタン塊の表層付近のみを溶解して内部は原料を溶解しないチタン塊も製作した(表1のNo.25,26参照)。いずれの例においても、溶解した表層の厚さは、それぞれの面で4〜8mmであった。   As a comparative example, a titanium lump that melts only the vicinity of the surface of the titanium lump but does not dissolve the raw material inside was also manufactured (see Nos. 25 and 26 in Table 1). In any example, the thickness of the dissolved surface layer was 4-8 mm on each side.

得られたチタン塊は、一部を切断して成分分析を行い、その均質性を評価した。残りのチタン塊は、熱間圧延を行い、厚さ3.5〜8.0mmの圧延板とした。   The obtained titanium ingot was partly cut and subjected to component analysis to evaluate its homogeneity. The remaining titanium ingot was hot-rolled to obtain a rolled plate having a thickness of 3.5 to 8.0 mm.

従来例として、コールドハースを有するEB溶解炉でチタン鋳塊を得た。すなわち、スポンジチタンと酸化チタン、電解鉄、Al粒を原料としてコールドハースに投入して、原料に電子ビームを照射して溶融したチタンを厚さ250mmの鋳型に注入したチタン鋳塊を得た。溶解初期は0.35ton/hの溶解速度で開始し、徐々に溶解速度を増して定常部では0.75ton/hで溶解した。その後、徐々に溶解速度を下げて、溶解末期には0.2ton/hまで下げた後、溶解を終了し、長さ1200mmのチタン鋳塊を得た。   As a conventional example, a titanium ingot was obtained in an EB melting furnace having cold hearth. That is, a titanium ingot was obtained by putting sponge titanium, titanium oxide, electrolytic iron, and Al particles as raw materials into cold hearth, and irradiating the raw materials with an electron beam and injecting molten titanium into a 250 mm thick mold. The initial dissolution was started at a dissolution rate of 0.35 ton / h, the dissolution rate was gradually increased, and the solution was dissolved at 0.75 ton / h in the stationary part. Thereafter, the dissolution rate was gradually reduced to 0.2 ton / h at the end of dissolution, and then the dissolution was finished to obtain a titanium ingot having a length of 1200 mm.

チタン塊の中心部の結晶粒径を目視あるいは金属顕微鏡を使って測定した。また、チタン塊の成分分析は、チタン塊の所定の位置から分析用の試料を必要量採取し、以下に列記のいずれかの分析方法により行った。
JIS H 1612(1993年) チタン及びチタン合金中の窒素定量方法
JIS H 1614(1995年) チタン及びチタン合金中の鉄定量方法
JIS H 1617(1995年) チタン及びチタン合金中の炭素定量方法
JIS H 1619(2012年) チタン及びチタン合金−水素定量方法
JIS H 1620(1995年) チタン及びチタン合金中の酸素定量方法
JIS H 1621(1992年) チタン合金中のパラジウム定量方法
JIS H 1622(1998年) チタン合金−アルミニウム定量方法
JIS H 1624(2005年) チタン合金−バナジウム定量方法
JIS H 1625(2005年) チタン合金−ランタン,セリウム,プラセオジム及びネオジム定量方法
JIS H 1630(1995年) チタンの発光分光分析方法
JIS H 1631(2008年) チタン合金−蛍光X線分析方法
JIS H 1632(2014年) チタンのICP発光分光分析方法
The crystal grain size at the center of the titanium block was measured visually or using a metal microscope. In addition, the component analysis of the titanium block was performed by taking a required amount of a sample for analysis from a predetermined position of the titanium block and using any of the analysis methods listed below.
JIS H 1612 (1993) Method for determination of nitrogen in titanium and titanium alloys
JIS H 1614 (1995) Determination of iron in titanium and titanium alloys
JIS H 1617 (1995) Determination of carbon in titanium and titanium alloys
JIS H 1619 (2012) Titanium and titanium alloys-Determination of hydrogen
JIS H 1620 (1995) Determination of oxygen in titanium and titanium alloys
JIS H 1621 (1992) Determination of palladium in titanium alloys
JIS H 1622 (1998) Titanium alloy-aluminum determination method
JIS H 1624 (2005) Titanium alloy-vanadium determination method
JIS H 1625 (2005) Titanium alloy-Determination of lanthanum, cerium, praseodymium and neodymium
JIS H 1630 (1995) Titanium emission spectroscopy method
JIS H 1631 (2008) Titanium alloy-X-ray fluorescence analysis method
JIS H 1632 (2014) ICP emission spectroscopic analysis method for titanium

分析用の試料として、チタン塊2の長手方向の先端および後端から各50mmの位置(端部領域)の2か所と、その間を3等分して各等分の長さの中央位置の3か所の合計5ヶ所から採取した。チタン塊2の断面では、直方体形状(スラブ)のチタン塊2の場合、幅方向中心での表面と裏面の表層2か所で、円柱形状(インゴット)のチタン塊の場合、断面中心対称となる表層2か所から採取した。さらに、長手方向先端および後端から各50mmの位置では、厚さ中心/直径方向の中心からも採取した。このようにして、合計12か所(図6中の●の位置)から分析用試料を採取して分析を行い、化学組成の均一性は、下記のようにして評価した。   As samples for analysis, there are two locations (end region) 50 mm from the front and rear ends of the titanium block 2 in the longitudinal direction, and the central position of each equal length by dividing it into three equal parts. Samples were collected from a total of three locations. In the cross section of the titanium lump 2, in the case of a rectangular parallelepiped (slab) titanium lump 2, the center of the cross section is symmetrical in the case of a columnar (ingot) titanium lump in the surface layer on the front and back surfaces at the center in the width direction. Collected from two surface layers. Further, at a position of 50 mm from the front end and the rear end in the longitudinal direction, the sample was also taken from the center of the thickness center / diameter direction. In this way, samples for analysis were collected from a total of 12 locations (positions marked with ● in FIG. 6) and analyzed, and the uniformity of the chemical composition was evaluated as follows.

各元素の含有量の最大値CMAXと最小値CMINの差分ΔCが、0.2CMIN未満または0.04%未満の場合、均一性が良好であると評価した。例えば、Oの測定値の最小値が0.04%、最大値が0.05%の場合、その差分ΔC(=0.01%)は、0.04%未満であるため、均一性が良好であると評価した。また、Oの測定値の最小値が0.30%、最大値が0.32%の場合、その差分ΔC(=0.02%)は、0.2CMIN(=0.060%)未満であるため、均一性が良好であると評価した。When the difference ΔC between the maximum value C MAX and the minimum value C MIN of the content of each element was less than 0.2 C MIN or less than 0.04%, it was evaluated that the uniformity was good. For example, when the minimum value of the measured value of O is 0.04% and the maximum value is 0.05%, the difference ΔC (= 0.01%) is less than 0.04%, so the uniformity is good. It was evaluated that. Further, when the minimum value of the measured value of O is 0.30% and the maximum value is 0.32%, the difference ΔC (= 0.02%) is less than 0.2C MIN (= 0.060%). Therefore, it was evaluated that the uniformity was good.

また、長手方向先端および後端から各50mmの位置では、厚さ中心部の結晶粒径を目視あるいは金属顕微鏡を使って測定し、その平均値を求めた。残りのチタン塊は、熱間圧延を行い、厚さが3.5mmから8mmの板とした。   In addition, at a position of 50 mm from the front end and the rear end in the longitudinal direction, the crystal grain size at the center of the thickness was measured visually or using a metal microscope, and the average value was obtained. The remaining titanium ingot was hot-rolled into a plate having a thickness of 3.5 mm to 8 mm.

実施例1における、チタン塊の製作条件を表2、製作されたチタン塊を表3、チタン塊を圧延して製作されたチタン材(圧延板)を表4にまとめて示す。   Table 2 shows the production conditions of the titanium ingot in Example 1, Table 3 shows the manufactured titanium ingot, and Table 4 shows the titanium material (rolled plate) produced by rolling the titanium ingot.

Figure 2019026251
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表2〜表4に示すように、No.1〜8は、チタンブリケットの厚さと空隙率を変えて、様々の厚さでチタン塊を製作したものである。   As shown in Tables 2 to 4, No. In Nos. 1 to 8, titanium ingots were produced with various thicknesses by changing the thickness and porosity of the titanium briquette.

No.1は、チタンブリケットの厚さが8mmと薄い場合は厚さ5.7mmの薄いチタン塊が得られたものの、チタンブリケットの一部の角が欠損したため、圧延できなかった。   No. No. 1 could not be rolled because a thin titanium block having a thickness of 5.7 mm was obtained when the thickness of the titanium briquette was as thin as 8 mm, but some corners of the titanium briquette were missing.

これ以外の厚さのNo.2〜8は、化学組成が均質であり、チタン塊の厚さ中心の結晶粒径は0.8〜7.8mmと小さく、圧延も問題なく行うことができ、圧延板の表面の一部に表面疵が発生したものの、概ね良好であった。一部に発生した表面疵は部分的に手入れして除去可能であった。   No. of other thicknesses 2-8, the chemical composition is homogeneous, the crystal grain size at the center of the thickness of the titanium ingot is as small as 0.8-7.8 mm, rolling can be performed without any problem, and part of the surface of the rolled plate Although surface flaws occurred, they were generally good. The surface flaws that occurred in part could be removed by partial care.

No.8〜10は、それぞれJIS1種,JIS3種,JIS4種の圧延板を製作した場合であり、No.11,12は、一部あるいは全てJIS1種のチタンスクラップを使用し、JIS2種,JIS3種の圧延板を製作した場合である。   No. Nos. 8 to 10 are cases in which rolled sheets of JIS type 1, JIS type 3 and JIS type 4 are produced. Nos. 11 and 12 are cases where some or all of JIS type 1 titanium scrap is used to produce JIS type 2 and JIS type 3 rolled sheets.

これらはいずれの場合も、成分の変動が少ない均質で、中心の結晶粒径の小さいチタン塊が得られ、その後の圧延も問題なく行うことができた。圧延板の表面の一部に表面疵が発生したものの、概ね良好であった。   In any of these cases, a titanium ingot having a uniform component with little fluctuation in the component and a small crystal grain size at the center was obtained, and the subsequent rolling could be performed without any problem. Although surface flaws occurred on a part of the surface of the rolled plate, it was generally good.

No.13〜24は、FeおよびFe以外の種々の金属元素を副原料として添加した場合である。これらはいずれの場合も、成分の変動が少ない均質で、中心の結晶粒径の小さいチタン塊が得られ、その後の圧延も問題なく行うことができ、圧延板の表面の一部に表面疵が発生したものの、概ね良好であった。   No. 13-24 is the case where various metal elements other than Fe and Fe are added as auxiliary materials. In any of these cases, a titanium ingot having a uniform and small central crystal grain size can be obtained, and the subsequent rolling can be performed without any problem, and a surface flaw is formed on a part of the surface of the rolled plate. Although it occurred, it was generally good.

比較例であるNo.25,26では、チタンブリケットの表層付近を溶解して内部は原料(スポンジチタン、副原料)を溶解しないでそのまま残したチタン塊を製作した。これらのチタン塊の厚さ中心部は、溶解していないため、長手方向の先端および後端から各50mmの位置(端部領域)の2か所の中心部はチタンブリケットのままである。このため、中心部の分析および結晶粒径の測定ができないため省略した。すなわち、分析は溶解したチタン塊表層部から採取した10か所から化学組成の均一性を評価した。   No. which is a comparative example. In Nos. 25 and 26, a titanium lump was produced by dissolving the vicinity of the surface layer of the titanium briquette and leaving the inside without dissolving the raw material (sponge titanium, auxiliary material). Since the thickness central portions of these titanium ingots are not melted, the two central portions at positions (end regions) 50 mm from the front end and the rear end in the longitudinal direction remain titanium briquettes. For this reason, the analysis of the central part and the measurement of the crystal grain size are not possible, and therefore omitted. That is, in the analysis, the uniformity of the chemical composition was evaluated from 10 points collected from the surface layer part of the dissolved titanium block.

これらのチタン塊は、酸素やFe等のチタン以外の添加元素がチタン塊の位置によって大きく変動しており、不均質な鋳塊となった。さらに、この鋳塊を圧延したところ、この成分の不均質に伴って、高温での変形抵抗が大きく異なるため、大きな表面割れが多数発生した。このため、製品としては使うことができなかった。   In these titanium ingots, additive elements other than titanium such as oxygen and Fe greatly fluctuated depending on the position of the titanium ingot, resulting in a heterogeneous ingot. Furthermore, when this ingot was rolled, deformation resistance at high temperatures was greatly different due to the inhomogeneity of this component, and many large surface cracks were generated. For this reason, it could not be used as a product.

なお、No.1〜No.26の全ての比較例及び本発明例においてチタンの含有量は、70%以上であった。また、スポンジチタンやチタンスクラップに不純物として含まれている炭素、窒素や水素が、全ての比較例及び本発明例において含まれている。   In addition, No. 1-No. In all 26 comparative examples and inventive examples, the titanium content was 70% or more. Carbon, nitrogen, and hydrogen contained as impurities in sponge titanium and titanium scrap are included in all comparative examples and examples of the present invention.

従来例である、No.27は工業用純チタン(JIS2種)を従来法で溶解した結果であり、スラブが250mmと大きいため、凝固偏析によりFeの成分のばらつきが大きく、厚さ中心の結晶粒も13mmと大きくなった。また、圧延後の薄板にはヘゲ状の表面疵が多発した。No.28はTi−5Al−1Fe合金を溶解した結果であり、スラブが250mmと大きいため、凝固偏析によりFeの成分のばらつきが大きく、厚さ中心の結晶粒も12mmと大きくなった。また、Alの揮発量のばらつきにより、Alの成分の変動も大きい。さらに、圧延後の薄板にはヘゲ状の表面疵が多発した。   It is a conventional example, No. 27 is a result of melting industrial pure titanium (JIS type 2) by the conventional method. Since the slab is as large as 250 mm, the variation of the Fe component is large due to solidification segregation, and the crystal grain at the center of the thickness is also as large as 13 mm. . Further, the thin plate after rolling frequently had a bald surface flaw. No. No. 28 is the result of melting the Ti-5Al-1Fe alloy. Since the slab was as large as 250 mm, the variation in the Fe component was large due to solidification segregation, and the crystal grain at the center of the thickness was also as large as 12 mm. Further, due to variations in the volatilization amount of Al, fluctuations in the Al component are also large. In addition, the thin plate after rolling frequently had shaved surface defects.

実施例1のNo.4と同様に製作した厚さ35mm,幅300mm,長さ400mmのチタン塊を用いて、チタンスラブを製作した。   No. of Example 1 A titanium slab was manufactured using a titanium block manufactured in the same manner as in No. 4 and having a thickness of 35 mm, a width of 300 mm, and a length of 400 mm.

チタン梱包材は、厚さ1〜20mmのチタン塊と同じJIS2種材を用いた。
チタンスラブを圧延する際に圧延ロールと接触しない容器の側面となるチタン梱包材の1枚にバルブのある配管をティグ溶接して固定した。配管のバルブは閉じておく。その配管を溶接したチタン梱包材を含むチタン梱包材の5枚を仮組み立てて容器とした後、ここにチタン塊を格納して残りのチタン梱包材で蓋をした。仮組みされた梱包体を、真空チャンバー内に入れて、所定の圧力になるまで減圧(真空)した後、梱包材の継ぎ目を全周電子ビームで溶接してチタンスラブを製作した(表5のNo.2,3,5参照)。製作したチタンスラブの側面にある配管に真空計を設置して、バルブを開けて内圧を測定した。測定後は、この配管をチタンスラブとバルブの間で密閉して、バルブを切断除去した。
As the titanium packing material, the same JIS 2 seed material as that of the titanium lump having a thickness of 1 to 20 mm was used.
When rolling the titanium slab, a pipe with a valve was fixed by TIG welding to one piece of the titanium packing material that would be the side of the container that was not in contact with the rolling roll. Keep piping valves closed. After 5 pieces of titanium packing material including the titanium packing material welded to the pipe were temporarily assembled into a container, the titanium lump was stored here and covered with the remaining titanium packing material. The temporarily assembled package was placed in a vacuum chamber and decompressed (vacuum) until a predetermined pressure was reached, and then the seam of the packaging material was welded with an entire circumference electron beam to produce a titanium slab (Table 5). No. 2, 3, 5). A vacuum gauge was installed in the pipe on the side of the manufactured titanium slab, and the internal pressure was measured by opening the valve. After the measurement, this pipe was sealed between the titanium slab and the valve, and the valve was cut and removed.

また、ティグ溶接でチタンスラブを組み立てた後、チタン梱包材に設けた排気用配管から、チタンスラブの内部が所定の圧力になるまで減圧(真空)した後、排気用配管を密閉することにより、チタンスラブの内圧を調整した。   In addition, after assembling the titanium slab by TIG welding, from the exhaust pipe provided in the titanium packing material, after reducing the pressure (vacuum) until the inside of the titanium slab reaches a predetermined pressure, by sealing the exhaust pipe, The internal pressure of the titanium slab was adjusted.

これらの厚さ37〜75mmのチタンスラブを圧延して、厚さ4.0〜5.5mmの圧延板を製作した。   These titanium slabs having a thickness of 37 to 75 mm were rolled to produce rolled plates having a thickness of 4.0 to 5.5 mm.

実施例2の結果を試験条件とともに表5にまとめて示す。   The results of Example 2 are shown together with the test conditions in Table 5.

Figure 2019026251
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表5に示すように、チタンスラブの内圧を10Pa以下としたNo.1〜3では、問題なく圧延ができ、得られた圧延板の表面も良好であった。   As shown in Table 5, the internal pressure of the titanium slab was set to 10 Pa or less. In 1-3, it rolled without a problem and the surface of the obtained rolled sheet was also favorable.

チタンスラブの内圧を12PaとしたNo.4では、問題なく圧延ができたものの、得られた圧延板は一部で二枚割れとなり剥離が生じた。剥離が生じた部分を観察すると、チタン塊とチタン梱包材の表面が酸化しており、両材が圧着されなかったことが分かった。   No. 1 in which the internal pressure of the titanium slab was 12 Pa. In No. 4, although rolling was possible without any problem, the obtained rolled sheet was partially broken into two pieces and peeling occurred. When the part where peeling occurred was observed, it was found that the surfaces of the titanium lump and the titanium packing material were oxidized, and the two materials were not pressure-bonded.

同様に、実施例1のNo.14と同様にして製作したチタン塊を用いて、チタンスラブを製作した。   Similarly, No. 1 in Example 1 was used. A titanium slab was manufactured using a titanium block manufactured in the same manner as in No. 14.

チタン梱包材は、厚さ10mmのチタン塊と同じTi−5Al−1Fe材(数字は質量%)を用いた。チタン梱包材の5枚を仮組み立てて容器とした後、ここにチタン塊を格納して残りのチタン梱包材で蓋をした。   As the titanium packing material, the same Ti-5Al-1Fe material (numbers are mass%) as the titanium block having a thickness of 10 mm was used. After 5 pieces of titanium packing material were temporarily assembled into a container, the titanium block was stored here and covered with the remaining titanium packing material.

仮組みされた梱包体を、真空チャンバー内に入れて、所定の圧力になるまで減圧(真空)した後、梱包材の継ぎ目を全周電子ビームで溶接してチタンスラブを製作した(No.5)。   The temporarily assembled package was put in a vacuum chamber and decompressed (vacuum) until a predetermined pressure was reached, and then the seam of the packaging material was welded with an electron beam all around to produce a titanium slab (No. 5). ).

このチタンスラブを圧延して、厚さ5.0mmの圧延板を製作した。圧延は問題なくでき、得られた圧延板の表面も良好であった。   The titanium slab was rolled to produce a rolled plate having a thickness of 5.0 mm. Rolling was possible without problems, and the surface of the obtained rolled plate was also good.

原料のチタン源としては、クロール法により製造したスポンジチタン(粒度=0.25mm以上19mm以下)で、酸素含有量0.04%、鉄含有量0.03%、窒素含有量0.003%、炭素含有量0.003%、水素含有量0.001%を用いた。また、チタンスクラップとして、JIS1種(酸素含有量0.04%、鉄含有量0.03%、窒素含有量0.003%、炭素含有量0.004%、水素含有量0.003%)の薄板を20〜30mm角に切断したものを一部(表3のNo.10,11参照)で使用した。   As a titanium source of the raw material, sponge titanium produced by a crawl method (particle size = 0.25 mm or more and 19 mm or less), oxygen content 0.04%, iron content 0.03%, nitrogen content 0.003%, A carbon content of 0.003% and a hydrogen content of 0.001% were used. Moreover, as titanium scrap, JIS Class 1 (oxygen content 0.04%, iron content 0.03%, nitrogen content 0.003%, carbon content 0.004%, hydrogen content 0.003%) A thin plate cut into 20 to 30 mm square was partially used (see Nos. 10 and 11 in Table 3).

副原料としては、酸化チタン粉、電解鉄、Pd粉粒、Al粒、Al−V合金粒、Sn粒、Zr粒、Mo粉、Ta粉、Nb粉、Si粉、Cr粒、Co粒、Ni粒、Ru粉、Mm(ミッシュメタル)粉、FeN粉、C粉、TiB粉をチタン塊の目標成分に応じて適宜使用した。なお、Al−V合金粒はAl含有量30%,V含有量70%の合金である。As auxiliary materials, titanium oxide powder, electrolytic iron, Pd powder grain, Al grain, Al-V alloy grain, Sn grain, Zr grain, Mo powder, Ta powder, Nb powder, Si powder, Cr grain, Co grain, Ni Grains, Ru powder, Mm (Misch metal) powder, FeN powder, C powder, and TiB 2 powder were appropriately used according to the target component of the titanium lump. The Al-V alloy grains are alloys having an Al content of 30% and a V content of 70%.

スポンジチタン、チタンスクラップや副原料は、ステンレス鋼製の混合容器に投入し、その混合容器を上下方向に回転することにより原料の混合を行った。混合された原料は、円柱状の金型に所定の量を投入し、圧縮成形することにより円柱形状のチタンブリケット(長さ300mm)を3個製作した。この時、チタンブリケットの大きさと重量から求めた空隙率は28〜40%であった。   Sponge titanium, titanium scrap, and auxiliary materials were put into a stainless steel mixing container, and the raw materials were mixed by rotating the mixing container up and down. A predetermined amount of the mixed raw material was put into a cylindrical mold and compression molded to produce three cylindrical titanium briquettes (length: 300 mm). At this time, the porosity determined from the size and weight of the titanium briquette was 28 to 40%.

得られたチタンブリケットは、3個を長手方向に並べて真空チャンバーに入れてチタンブリケットの周面を電子ビームによりチタンブリケットの直径の半分より2〜3mm多く溶解した。この溶解する量(直径)は、予め、電子ビームの出力と溶解できる厚さの関係を求めて、その結果より必要な厚さから電子ビームの出力を求めた。チタンブリケットを回転させながら、周面全体を溶解および凝固させた。   Three of the obtained titanium briquettes were arranged in the longitudinal direction and placed in a vacuum chamber, and the peripheral surface of the titanium briquette was dissolved by 2 to 3 mm more than half the diameter of the titanium briquette by an electron beam. The amount (diameter) to be melted was obtained in advance from the relationship between the output of the electron beam and the thickness that can be melted, and the output of the electron beam was determined from the required thickness. While rotating the titanium briquette, the entire peripheral surface was melted and solidified.

このようにして、チタンブリケット全体を溶解および凝固させて、長さ900mmで直径が9〜78mmの円柱状のチタン塊を製作した。化学組成の均一性および結晶粒径は、(実施例1)と同様にして評価した。   In this way, the entire titanium briquette was melted and solidified to produce a cylindrical titanium block having a length of 900 mm and a diameter of 9 to 78 mm. The uniformity of chemical composition and the crystal grain size were evaluated in the same manner as in Example 1.

従来例として、コールドハースを有するEB溶解炉でチタン鋳塊を得た。すなわち、スポンジチタンと酸化チタン、電解鉄、Al粒を原料としてコールドハースに投入して、原料に電子ビームを照射して溶融したチタン直径600mmの鋳型に注入した。溶解初期は0.5ton/hの溶解速度で開始し、徐々に溶解速度を増して定常部では0.85ton/hで溶解した。その後、徐々に溶解速度を下げて、溶解末期には0.3ton/hまで下げた後、溶解を終了し、長さ900mmのチタン鋳塊を得た。このチタン鋳塊は、分析用試料および組織観察用試料を採取した後、φ100mmまで鍛造し、さらに圧延してφ30mmの丸棒とした。   As a conventional example, a titanium ingot was obtained in an EB melting furnace having cold hearth. That is, sponge titanium, titanium oxide, electrolytic iron, and Al particles were put into cold hearth as raw materials, and injected into a molten titanium mold having a diameter of 600 mm by irradiating the raw material with an electron beam. The initial dissolution was started at a dissolution rate of 0.5 ton / h, and the dissolution rate was gradually increased to dissolve at 0.85 ton / h in the stationary part. Thereafter, the dissolution rate was gradually reduced to 0.3 ton / h at the end of dissolution, and then the dissolution was terminated to obtain a titanium ingot having a length of 900 mm. This titanium ingot was sampled for analysis and microstructure observation, then forged to φ100 mm, and further rolled into a φ30 mm round bar.

実施例3における、チタン塊の製作条件を表6、製作されたチタン塊を表7、チタン塊を圧延して製作されたチタン材(丸棒)を表8にまとめて示す。   Table 6 shows the production conditions of the titanium ingot in Example 3, Table 7 shows the manufactured titanium ingot, and Table 8 shows the titanium material (round bar) produced by rolling the titanium ingot.

Figure 2019026251
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表6〜表8に示すように、比較例として、No.22では、チタン塊の表層付近のみを溶解して内部は原料を溶解しないチタン塊も製作した。   As shown in Tables 6 to 8, as a comparative example, No. No. 22 also produced a titanium ingot that melts only the vicinity of the surface of the titanium ingot and does not dissolve the raw material inside.

得られたチタン塊は、実施例1と同様に分析用試料を採取して化学組成分析を行い、その均質性を実施例1と同様の手法により評価した。また、長手方向中央部で、長手方向に垂直な断面の中心部の結晶粒径を目視あるいは金属顕微鏡を使って測定した。残りのチタン塊は、熱間圧延を行い、直径が8mmから18mmの丸棒とした。   The obtained titanium mass was sampled for analysis in the same manner as in Example 1 and subjected to chemical composition analysis, and its homogeneity was evaluated by the same method as in Example 1. Further, the crystal grain size of the central part of the cross section perpendicular to the longitudinal direction at the central part in the longitudinal direction was measured visually or using a metal microscope. The remaining titanium ingot was hot rolled into a round bar with a diameter of 8 mm to 18 mm.

表6〜表8におけるNo.1〜6は、チタンブリケットの直径と空隙率を変えて、様々の直径のチタン塊を製作した場合である。チタンブリケットの直径が11mmと細い場合は直径9mmの細いチタン塊が得られたものの、チタンブリケットの一部で折損したため、圧延できなかった(No.1)。これ以外の直径のチタン塊は問題なく圧延ができ、良質な丸棒が得られた(No.2〜6)。   No. in Tables 6-8. Nos. 1 to 6 are cases where titanium ingots with various diameters were manufactured by changing the diameter and porosity of the titanium briquette. When the diameter of the titanium briquette was as small as 11 mm, a thin titanium lump with a diameter of 9 mm was obtained, but it could not be rolled because it was broken at a part of the titanium briquette (No. 1). Titanium ingots with other diameters could be rolled without problems, and good quality round bars were obtained (Nos. 2 to 6).

No.7〜9は、JIS1種,JIS3種,JIS4種のチタン塊を製作した場合であり、No.10,11は一部あるいは全てJIS1種のチタンスクラップを使用し、JIS2種、JIS3種の圧延板を製作した場合である。これらはいずれの場合も、化学組成の変動が少ない均質で、中心の結晶粒径の小さいチタン塊が得られ、その後の圧延も問題なく、良質な丸棒が得られた。   No. Nos. 7 to 9 are cases where titanium ingots of JIS type 1, JIS type 3 and JIS type 4 were produced. 10 and 11 are cases in which some or all of JIS type 1 titanium scrap is used to produce JIS type 2 and JIS type 3 rolled sheets. In each case, a titanium ingot having a uniform chemical composition with little variation in the chemical composition and a small center crystal grain size was obtained, and a good quality round bar was obtained without any subsequent rolling.

No.12〜21は、FeおよびFe以外の種々の金属元素を副原料として添加した場合である。これらはいずれの場合も、成分の変動が少ない均質で、中心の結晶粒径の小さいチタン塊が得られ、その後の圧延も問題なく行うことができ、良質な丸棒が製造できた。   No. 12 to 21 are cases where various metal elements other than Fe and Fe are added as auxiliary materials. In each case, a titanium block having a uniform and small central crystal grain size with little variation in the components was obtained, and the subsequent rolling could be performed without any problem, and a high-quality round bar could be produced.

比較例であるNo.22では、チタンブリケットの表層付近を溶解して内部は原料(スポンジチタン、副原料)を溶解しないでそのまま残した直径44mmのチタン塊を製作した。このチタン塊の厚さ中心部は、溶解していないため、長手方向の先端および後端から各50mmの位置(端部領域)の2か所の中心部はチタンブリケットのままである。このため、中心部の分析および結晶粒径の測定ができないため省略した。すなわち、分析は溶解したチタン塊表層部から採取した10か所から化学組成の均一性を評価した。   No. which is a comparative example. In No. 22, a titanium block having a diameter of 44 mm was produced by dissolving the vicinity of the surface layer of the titanium briquette and leaving the inside without dissolving the raw material (sponge titanium, auxiliary raw material). Since the thickness central part of this titanium lump is not melted, the two central parts at positions (end regions) 50 mm from the front end and rear end in the longitudinal direction remain titanium briquettes. For this reason, the analysis of the central part and the measurement of the crystal grain size are not possible, and therefore omitted. That is, in the analysis, the uniformity of the chemical composition was evaluated from 10 points collected from the surface layer part of the dissolved titanium block.

このチタン塊の化学組成を分析したところ、副原料として添加した酸素やFeがチタン塊の位置によって大きく変動しており、不均質な鋳塊となった。さらに、この鋳塊を圧延したところ、この化学組成の不均質に伴って、高温での変形抵抗が大きく異なるため、大きな表面割れが多数発生した。このため、製品としては使うことができなかった。   When the chemical composition of the titanium ingot was analyzed, oxygen and Fe added as auxiliary materials varied greatly depending on the position of the titanium ingot, resulting in a heterogeneous ingot. Further, when the ingot was rolled, the deformation resistance at high temperature was greatly different with the inhomogeneity of the chemical composition, and many large surface cracks were generated. For this reason, it could not be used as a product.

なお、No.1〜No.22の全ての比較例及び本発明例においてチタンの含有量は、70%以上であった。また、スポンジチタンやチタンスクラップに不純物として含まれている炭素、窒素や水素が、全ての比較例及び本発明例において含まれている。   In addition, No. 1-No. In all 22 comparative examples and inventive examples, the titanium content was 70% or more. Carbon, nitrogen, and hydrogen contained as impurities in sponge titanium and titanium scrap are included in all comparative examples and examples of the present invention.

従来例である、No.23は工業用純チタン(JIS2種)を従来法で溶解した結果であり、インゴット径が600mmと大きいため、凝固偏析によりFeの成分のばらつきが大きく、厚さ中心の結晶粒も14mmと大きくなった。また、鍛造時には表面割れが多発したため、その部分を切削除去しなければならず、製造歩留が大きく低下した。No.24はTi−6Al−4V合金を従来法で溶解した結果であり、インゴット径が600mmと大きいため、凝固偏析によりFeの成分のばらつきが大きく、厚さ中心の結晶粒も13mmと大きくなった。また、Alの揮発量のばらつきにより、Alの成分の変動も大きい。また、鍛造時には表面割れが多発したため、その部分を切削除去しなければならず、製造歩留が大きく低下した。   It is a conventional example, No. No. 23 is a result of melting industrial pure titanium (JIS type 2) by a conventional method. Since the ingot diameter is as large as 600 mm, the dispersion of Fe components is large due to solidification segregation, and the crystal grains at the center of the thickness are also as large as 14 mm. It was. Moreover, since surface cracks frequently occurred during forging, the portion had to be removed by cutting, and the production yield was greatly reduced. No. No. 24 is a result of melting a Ti-6Al-4V alloy by a conventional method. Since the ingot diameter is as large as 600 mm, the variation of the Fe component is large due to solidification segregation, and the crystal grain at the center of the thickness is also as large as 13 mm. Further, due to variations in the volatilization amount of Al, fluctuations in the Al component are also large. Moreover, since surface cracks frequently occurred during forging, the portion had to be removed by cutting, and the production yield was greatly reduced.

本発明によれば、従来の溶解工程と鍛造工程を省略して、種々の化学組成の薄肉あるいは細径のチタン塊を製造することができ、次工程の熱間加工での加工量も削減してチタン塊を製造することができる。このため、製造に要するエネルギーを削減できる。さらに、チタンスラブにすることにより、チタン塊の表面に発生する欠陥の切削除去を省略することができ、製造歩留が大幅に向上し、製造コストを大幅に低減することができる。   According to the present invention, thin or thin titanium ingots having various chemical compositions can be manufactured by omitting the conventional melting step and forging step, and the amount of processing in the hot processing of the next step is also reduced. Thus, a titanium mass can be produced. For this reason, the energy which manufacture requires can be reduced. Furthermore, by using a titanium slab, it is possible to omit the cutting and removal of defects generated on the surface of the titanium lump, and the manufacturing yield can be greatly improved and the manufacturing cost can be greatly reduced.

Claims (5)

厚さが7〜80mm板状のチタン塊であって、
化学組成が、質量%で、
O:0.01〜0.5%、
Fe:0.01〜5%、
Al:0〜8%、
Sn:0〜5%、
Zr:0〜12%、
Mo:0〜15%、
Ta:0〜2%、
V:0〜22%、
Nb:0〜2%、
Si:0〜1%、
Cr:0〜10%、
Cu:0〜0.1%、
Co:0〜1%、
Ni:0〜1%、
白金族元素:0〜0.5%、
REM:0〜0.2%、
B:0〜3%、
N:0〜0.2%、
C:0〜2%、
H:0〜0.013%、
残部がチタンおよび不純物であり、
各元素の測定値の最大値CMAXと最小値CMINの差分ΔCが、0.2CMIN未満または0.04%未満であり、
金属組織が、
前記チタン塊の厚さ方向の中央部における円相当平均結晶粒径が10mm以下、かつ前記チタン塊の厚さの半分以下である、
チタン塊。
It is a titanium block with a thickness of 7 to 80 mm,
Chemical composition is mass%,
O: 0.01 to 0.5%
Fe: 0.01 to 5%,
Al: 0 to 8%,
Sn: 0 to 5%
Zr: 0 to 12%,
Mo: 0 to 15%,
Ta: 0 to 2%
V: 0 to 22%
Nb: 0 to 2%,
Si: 0 to 1%,
Cr: 0 to 10%
Cu: 0 to 0.1%,
Co: 0 to 1%,
Ni: 0 to 1%,
Platinum group elements: 0 to 0.5%,
REM: 0-0.2%
B: 0 to 3%
N: 0 to 0.2%,
C: 0 to 2%
H: 0 to 0.013%,
The balance is titanium and impurities,
The difference ΔC between the maximum value C MAX and the minimum value C MIN of the measured values of each element is less than 0.2C MIN or less than 0.04%,
The metal structure is
The circle-equivalent average crystal grain size in the central portion of the titanium lump in the thickness direction is 10 mm or less and half or less of the thickness of the titanium lump.
Titanium lump.
長手方向に垂直な断面が直径10〜80mmの円形である円柱形状、又は、円相当直径が10〜80mmの五角形以上の多角形である柱形状を有するチタン塊であって、
化学組成が、質量%で、
O:0.01〜0.5%
Fe:0.01〜5%、
Al:0〜8%、
Sn:0〜5%、
Zr:0〜12%、
Mo:0〜15%、
Ta:0〜2%、
V:0〜22%、
Nb:0〜2%、
Si:0〜1%、
Cr:0〜10%、
Cu:0〜0.1%、
Co:0〜1%、
Ni:0〜1%、
白金族元素:0〜0.5%、
REM:0〜0.2%、
B:0〜3%、
N:0〜0.2%、
C:0〜2%、
H:0〜0.013%
残部がチタンおよび不純物であり、
各元素の測定値の最大値CMAXと最小値CMINの差分ΔCが、0.2CMIN未満または0.04%未満であり、
金属組織が、
前記チタン塊の長手方向に垂直な断面において、表面から中心に向かう方向に延びる柱状組織を有し、前記断面の中心位置の円相当平均結晶粒径が10mm以下、かつ前記断面の直径の半分以下である、
チタン塊。
A titanium lump having a columnar shape in which a cross section perpendicular to the longitudinal direction is a circle having a diameter of 10 to 80 mm, or a columnar shape that is a polygon of a pentagon or more having a circle equivalent diameter of 10 to 80 mm,
Chemical composition is mass%,
O: 0.01 to 0.5%
Fe: 0.01 to 5%,
Al: 0 to 8%,
Sn: 0 to 5%
Zr: 0 to 12%,
Mo: 0 to 15%,
Ta: 0 to 2%
V: 0 to 22%
Nb: 0 to 2%,
Si: 0 to 1%,
Cr: 0 to 10%
Cu: 0 to 0.1%,
Co: 0 to 1%,
Ni: 0 to 1%,
Platinum group elements: 0 to 0.5%,
REM: 0-0.2%
B: 0 to 3%
N: 0 to 0.2%,
C: 0 to 2%
H: 0 to 0.013%
The balance is titanium and impurities,
The difference ΔC between the maximum value C MAX and the minimum value C MIN of the measured values of each element is less than 0.2C MIN or less than 0.04%,
The metal structure is
In a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the titanium block, it has a columnar structure extending in the direction from the surface toward the center, the circle-equivalent average crystal grain size at the center position of the cross section is 10 mm or less, and half or less of the diameter of the cross section Is,
Titanium lump.
請求項1または2に記載のチタン塊と同種の化学組成を有する梱包材と、
前記梱包材の内部に充填された、請求項1または2に記載のチタン塊とを備え、
前記梱包材の内圧が10Pa以下である、
チタンスラブ。
A packing material having the same chemical composition as the titanium ingot according to claim 1 or 2,
The titanium ingot according to claim 1 or 2 filled in the packing material,
The packing material has an internal pressure of 10 Pa or less,
Titanium slab.
スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上と、化学組成を調整するために必要な元素を含む副原料とを圧縮成形してチタンブリケットを得る圧縮成形工程、
1Pa以下の減圧下で前記チタンブリケットの表面に電子ビームを照射して前記チタンブリケットの全てを溶解してチタン塊とする溶解工程を備える、
請求項1または2に記載のチタン塊の製造方法。
A compression molding process for obtaining a titanium briquette by compression molding one or more selected from sponge titanium and titanium scrap and an auxiliary material containing an element necessary for adjusting the chemical composition;
A step of irradiating the surface of the titanium briquette with an electron beam under a reduced pressure of 1 Pa or less to dissolve all of the titanium briquette into a titanium lump,
The manufacturing method of the titanium lump of Claim 1 or 2.
前記溶解工程が、前記チタンブリケットの任意の表面に電子ビームを照射し、その表面から厚さ方向の一部を溶解する工程、および、任意の他の表面に電子ビームを照射し、少なくとも未溶解のチタンブリケットを溶解する工程を備える、
請求項4に記載のチタン塊の製造方法。
In the melting step, an arbitrary surface of the titanium briquette is irradiated with an electron beam, a part of the thickness direction is melted from the surface, and an arbitrary other surface is irradiated with an electron beam, and at least undissolved. A step of dissolving the titanium briquette of
The manufacturing method of the titanium lump of Claim 4.
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